BOOST電路設計與仿真

1、目 錄一. Boost主電路設計：31.1占空比D計算31.2臨界電感L計算31.3臨界電容C計算（取紋波Vpp<2.2V）31.4輸出電阻阻值3二. Boost變換器開環(huán)分析42.1 PSIM仿真42.2 Matlab仿真頻域特性6三. Boost閉環(huán)控制設計73.1閉環(huán)控制原理73.2 補償網(wǎng)絡的設計（使用SISOTOOL確定參數(shù)）83.3 計算補償網(wǎng)絡的參數(shù)9四修正后電路PSIM仿真10五設計體會13Boost變換器性能指標:輸入電壓：標準直流電壓Vin=48V 輸出電壓：直流電壓Vo=220V 參考電壓 Vref=5V輸出功率：Pout=5Kw輸出電壓紋波：Vpp=2.2V Vm

2、=4V 電流紋波： 0.25A 開關頻率：fs=100kHz 相位裕度：60 幅值裕度：10dB一. Boost主電路設計：1.1占空比D計算 根據(jù)Boost變換器輸入輸出電壓之間的關系求出占空比D的變化范圍。 D=UO-UinmaxUO=0.7821.2臨界電感L計算 Lc=DVo1-D22fsio=1.8H選取L>Lc，在此選L=4uH1.3臨界電容C計算（取紋波Vpp<2.2V） C=IODfsVPP=22.7×0.782100000×2.2=80.6F 選取C>Cc，在此選C=100uF1.4輸出電阻阻值R=UI=U×UP=9.68Boo

3、st主電路傳遞函數(shù)Gvd（s） 占空比d（t）到輸出電壓Vo（t）的傳遞函數(shù)為： Gvds=1-DV(1-LS（1-D)2R)LCs2+sLR+(1-D)2 Gvds=47.96*1-8.7×10-6s4×10-10s2+4.13×10-7s+0.048 二. Boost變換器開環(huán)分析2.1 PSIM仿真電壓仿真波形如下圖電壓穩(wěn)定時間大約1.5毫秒，穩(wěn)定在220V左右電壓穩(wěn)定后的紋波如下圖電壓穩(wěn)定后的紋波大約為2.2V電流仿真波形如下圖電流穩(wěn)定時間大約2毫秒，穩(wěn)定在22A左右電流穩(wěn)定后的紋波如下圖2.2 Matlab仿真頻域特性設定參考電壓為5V，則Hs=5220

4、=144 ，Gms=1Vm=14系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Tos=GvdsGcsHsGms,其中Hs=1，Gcs=1由上圖可得，Gvd(s)的低頻增益為-60dB，截止頻率fc=196KHz，相位裕度-84.4，相位裕度過小，高頻段是-20dB/dec。系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要加控制電路調整。1、開環(huán)傳遞函數(shù)在低頻段的增益較小，會導致較大的穩(wěn)態(tài)誤差2、中頻段的剪切頻率較小會影響系統(tǒng)的響應速度，使調節(jié)時間較大。剪切頻率較大則會降低高頻抗干擾能力。3、相角裕度太小會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使單位階躍響應的超調量較大。4、高頻段是-20dB/dec,抗干擾能力差。將Hs=5220=144 ，Gms=1Vm=14代到未加

5、補償器的開環(huán)傳遞函數(shù)中。則Gos=GvdsGcsHsGms,其中Gcs=1未加補償器的開環(huán)傳遞函數(shù)如圖三. Boost閉環(huán)控制設計3.1閉環(huán)控制原理 輸出電壓采樣與電壓基準送到誤差放大器，其輸出經(jīng)過一定的補償后與PWM調制后控制開關管Q的通斷，控制輸出電壓的穩(wěn)定，同時還有具有一定的抑制輸入和負載擾動的能力。令PWM的載波幅值等于4，則開環(huán)傳遞函數(shù)為F（s）=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)3.2 補償網(wǎng)絡的設計（使用SISOTOOL確定參數(shù)）原始系統(tǒng)主要問題是相位裕度太低、穿越頻率太低。改進的思路是在遠低于穿越頻率fc處，給補償網(wǎng)絡增加一個零點fZ，開環(huán)傳遞函數(shù)就會產生足夠的超前相移，保證系

6、統(tǒng)有足夠的裕量；在大于零點頻率的附近增加一個極點fP，并且為了克服穩(wěn)態(tài)誤差大的缺點，可以加入倒置零點fL，為此可以采用如圖4所示的PID補償網(wǎng)絡。根據(jù)電路寫出的PID補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為： GCs=Gcm(1+Swz)(1+wls)(1+swp) 式中：Gcm=-RfRiz+Rip，wz=1RizCi，wl=1RfCf，wp=Riz+RipRizRipCi在此我們通過使用Matlab中SISOTOOL工具來設計調節(jié)器參數(shù),可得: 零點頻率 fz=1.53KHz極點頻率 fp=805KHz倒置零點頻率 fl=600Hz 直流增益 Gcm=0.2784首先確定PID調節(jié)器的參數(shù)，按設計要求拖動添加

7、零點與極點，所得參數(shù)如圖加入PID之后，低頻段的增益抬高，穩(wěn)態(tài)誤差減小，如圖閉環(huán)階躍響應曲線如下圖 幅值裕度為：GM=6.81dB，相角裕度：PM=49.6°，截止頻率：fc=10KHz高頻段f>fp，補償后的系統(tǒng)回路增益在fc處提升至0dB，且以-40dB/dec的斜率下降，能夠有效地抑制高頻干擾。3.3 計算補償網(wǎng)絡的參數(shù)由sisotool得到補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為： GCs=2784.7×(1+0.0001s)(1+0.00027s)s(1+2×10-7s) 由前面可有補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為： GCs=Gcm(1+Swz)(1+wls)(1+swp)對比兩

8、式可得，假設補償網(wǎng)絡中 Ci=1F依據(jù)前面的方法計算后，選用Rz=270，Rp=0.2，Rf=75.24，Cf=1.33uF。四修正后電路PSIM仿真（1）額定輸入電壓，額定負載下的仿真電壓響應如下圖電壓穩(wěn)定時間大約為2毫秒，穩(wěn)定值為220V，超調量有所減少，峰值電壓減小到了260V.穩(wěn)定后的電壓紋波如下圖（電壓紋波大約為2.2V）電流紋波如下（電流紋波大約為0.07A） 驗證擾動psim圖 （2）額定輸入電壓下，負載階躍變化0-3KW-5KW-3KW電壓響應曲線如下圖 電壓調節(jié)時間大約1ms，紋波不變大約為2.2V。由此可見，輸出電壓對負載變化的反應速度很快且輸出電壓穩(wěn)定。電流響應曲線如下圖（3）負載不變（3KW），輸入電壓階躍變化48-36V輸入電壓從48V變到36V時的電壓響應如下圖輸出電壓的局部放大圖像如下圖 由上圖可知，