基于SABER的升压变换器电源设计资料.docx

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基于SABER的升压变换器电源设计资料

电气工程综合设计

题目基于SABER的升压变换器电源设计

二级学院电子信息与自动化学院

专业电气工程及其自动化

班级

学生姓名赵远东学号11107990733

学生姓名张强学号11107990731

学生姓名周公平学号11107990734

指导教师

时间第十四周到第十六周

考核项日

平时成绩20分

设讣35分

报告15分

答辩30分

得分

总分

考核等级

教师签名

一、Saber的介绍i

1・1、Saber的特点1

1.2、Saber的组成部分

1.3、Saber的分析功能

二、Boost变换器的工作原理

三.Boost电路参数设定

四、Boost变换器闭环控制参数设计

4.1、电压闭环控制

4.1.1、PI调解器的原理

4.1.2、PWM脉宽调制的原理8

4.2、闭环电路参数设计9

4.2.1.Gvd（s）的传递函数分析10

4.2.2.补偿环节Gc（s）的设计

11

4.2.3.补偿环节参数设计

11

五、Boost电路的仿真分析

12

六、结论

15

七、参考文献

16

摘要

本文通过使用Saber软件，在SaberSketch界面中，利用通用电子元件，对其参数赋值，仿真研究了升压式（Boost电路）DC-DC变换器电源设计。

分析Boost电路的工作原理，体现了理论结果的直观化和可视化。

使用软件对开关电源进行开环仿真输入电压波动时输出纹波电压较大不能满足设计要求对系统进行小信号分析后根据系统伯德图分析系统传递函数的结构形式进行闭环反馈网络的设计将闭环反馈网络加入系统进行仿真结果表明闭环反馈网络不仅使得输出电压迅速上升而且减小了输出电压的纹波系数提高了输出电压的稳定性。

开关电源技术属于电力电子技术，而DC-DC变换器是它的核心组成部分，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。

LI前，因全球能源问题,各种各类的电池使用已备受关注了，当中包括太阳能电池及燃料电池。

电池供电逐渐成为主要的趋势，而儿乎在所有的便携式电子产品中，系统中各类器件对电源电压有着不同的要求。

例如：

（1）处理器核常用的电源是l.lv,存储器要用2.5V和3.3v的电源；

（2）太阳能电池以及燃料电池与蓄电池的直接耦合，进而实现对蓄电池的充电等等，以上系统中要维持各器件的正常工作，必须依靠升压式（boost电路）DC-DC变换器。

而研究这些电路首先要对这些电路进行电路仿真。

我们知道计算机仿真电路在电力电子的研究与开发中有着重要的作用，它可以帮助设讣者对电路与系统的原理及丄作状态的了解，大大加速电路的设讣和试验过程。

因此，本文利用Saber仿真软件，因为Saber具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，而专门为Saber仿真器设计的Saber-Sketch,是建立系统的平台，提供了友好的用户图形界面，为建立系统的平台提供了友好的用户图形界面，使得仿真非常直观，让使用者易学用，另外在储能过程。

开关S开通期间为电感L的储能过程，其等Saber-Scope中观察波形,有多种测量、分析、比较的方法，可以满足多种实验要求。

本文的重点工作就是在Saber-Sketch中建立Boost升压变换器的仿真模型，并且在Saber-Scope中得到相关波形，为进一步研究开关电源的相关电路的电力电子仿真分析具有重要意义。

【关键词】

Boost电路Saber系统仿真开关电源电压闭环反馈仿真传递函数

（—）Saber的介绍

1.1、Saber的特点。

⑴集成度高。

从调用画图程序到仿真模拟，可以在一个环境中完成，不用四处切换工作环境。

⑵完整的图形查看功能。

Saber提供了Saber-Scope和Design-Probe来查看仿真结果，而Saber-Scope功能更加强大。

⑶模块化和层次化。

可将一部分电路块创建成一个符号表示，用于层次设计，并可对子电路和整体电路仿真。

⑷模拟行为模型。

对电路在实际应用中的可能遇到的情况，如温度变化及各部件参数漂移等，进行仿真。

1.2、Saber的组成部分。

（DSaberSketch-设计系统的图形化输入软件包。

是建立系统的平台，提供了友好的用户图形界面，为建立系统的平台提供了友好的用户图形界面，使得仿真非常直观，让使用者易学用。

⑵SaberDesigner-集成分析环境，仿真分析并显示仿真结果。

⑶SaberBook-文档浏览软件包。

1.3、Saber的分析功能。

（1）DCanalysis（直流分析）。

（2）Transient瞬态分析。

（3）AC（频响分析）。

（4）Fourier和FFT（傅立叶和傅立叶快速变换分析）。

⑸IFFT（反快速傅立叶变换分析）-

（-）Boost变换器的工作原理

Boost变换电路如图所示，线路曲开关S、电感L、电容C为完成把电压Ui升压到Uo的功能。

假设开关S的周期为T,开通时间为Ton二D,关断时间为t二（1-D）T,D为开通占空比。

D=ton/T,Boost变换器有两个工作过程：

图1：

Boost升压电路

I、储能过程。

开关S开通期间为电感L的储能过程，其等效电路如图所示。

开关S开通，输入电路被S短路，输入电流使电感L储能，加在L上的电压为电源电压Ui,电压方向与电流方向相同。

II、释能过程。

开关S关断期间为电感L的放能过程，其等效电路如图所示。

开关S关断，二极管导通，电源与输出电路接通，电感放能。

加在电感L的电压为输出电压Uo与电源电压Ui之差，电压方向与电流的方向相反。

电感两端电压在一个周期内的平均值为：

（2-1）图2：

电感储能图

山于稳态条件下电感两端电压一个周期内的平均值为零，故令UL=0,则有

输岀、输入电压变比为:

（2-2）

图3：

电感释能图

由于D二（0〜1）之间，所以Boost变换器只能升压，而不能降压，故称它为升压变换器。

工作输入电流等于电感电流并且是连续的。

但流经二极管的电流却是脉动的，山于电容C存在，负载上仍有稳定、连续的负载电流。

（三）Boost电路参数设定

L2

询讪、心）、、T

JQC丰R”

图4：

Boost升压电路

对Boost电路进行仿真分析有助于了解开关电源电路的工作原理，同时也为相关电路的分析打下了理论基础。

其中，图中Ug为输入直流电源，输入电源电压V广40v、输出电压V二100v、负载电流IrW开关频率f二100KHZ,则开关周期P二10us。

因此，在电感电流连续状态下电感以及输出的纹波电压小于乂％的限值条件下，取纹波系数为0.4,则纹波电流峰峰值为10A*0.4二4A。

当开关打到1位置时，等效电路图如下所示：

图5：

位置1电路等效图

对电路图进行分析得：

电感电压与电容电流分别为讥）=£,川）=三。

（3-1）

v

（3-2）

对其进行小纹波近似得%=乂，i严一务当开关打到2位置时，等效电路图如下所示:

图6：

位置2电路等效图

对电路图进行分析得：

（3-3）

（3-4）

电感电压与电容电流分别为vL（t）=Vg-v（r）,/（t）=/L（t）--oR

V

对其进行小纹波近似得《=v厂v,3-育。

由上所得电感电压的波形：

5（t）Vg

——DT.►—DT.—>

vg-v

图7：

电感电压波形在一个开关周期内电感电压的伏秒平衡：

『讪=V.DT.V+（Vg-V）DX（3-5）

V°D+（Vg_V）iy=O（3-6）

解得v=^（3-7）

V11

则电压的转化率K=—=-=—（3-8）

l）1—D

电容电流波形为：

i&t）

IWR

DH

-V/R

图&电容电流波形

在一个开关周期内电容电流的伏秒平衡：

7、

DT$+

-Y]

<"r>

R丿

D'=0

D'Ts

（3-9）

V）

（3-10）

VV

解得1=亠，即1=味

D'R

（3-11）

由位置】的电感电压可得电感电流塔L字7

（3-12）

由位置2的电感电压可得电感电流霍电）

（3-13）

则电感电流的波形为:

图9：

电感电流波形

V

电感电流纹波2、l—DT,

L

解得电感厶=

2A/£

山位置1的电容电流可得电容电压

V

~RC

（3-14）

（3-15）

（3-16）

（3-17）

由位置2的电容电流可得电容电压务护岁4堆

则电容电圧的波形：

图10：

电容电压波形

电容电压纹波—24-=-匕DTS（3-18）

RC

解得c=^—DT,（3-19）

2Av/?

且匕二40v,V二100v则占空比D二0.6乂2&=4A,2Av=8v,人二10us,（3-20）

（3-21）

V输出电流Z=10A,即R=-=10Q,

则解得电感厶二60uH,电容C=100uFo

（四）Boost变换器闭环控制参数设计

4・1、电压闭环控制：

闭环控制是控制论的一个基本概念。

指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。

在控制论中，闭环通常指输出端通过“旁链”方式回馈到输入，所谓闭环控制。

输出端回馈到输入端并参与对输出端再控制，这才是闭环控制的LI的，这种LI的是通过反馈来实现的。

为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标，需要对变换器进行电压闭环控制，其工作原理为：

输出采样电压与给定电压进行比较产生误差信号，再将误差信号送至误差放大器，进行误差的调节和放大。

（误差放大器的作用：

1、对误差信号进行反向放大，为PWM比较器提供一个控制信号Vc®。

2、对系统进行适肖的幅度和相位补偿）。

将得到的控制信号与三角载波进行比较产生脉宽调制波，控制开关器件的通断。

4.1.1、PI调解器的原理：

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。

在信号变换过程中，P控制器值改变信号的增益而不影响其相位。

在串联校正中，加大了控制器增益k,可以提高系统的开环增益，减小的系统稳态误差，从而提高系统的控制精度比例-微分控制具有比例-微分控制规律的控制器称PI控制器，其输出信号m（t）同时成比例的反应出输入信号e（t）及其积分。

为可调比例系数；iT为可调积分时间常数。

在串联校正时，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。

位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而增加的负实零点则用来减小系统的阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态性能产生的不利影响。

只要积分时间常数iT足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱，在控制工程中，PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能

图11：

PI控制回路

4.1.2、PWM脉宽调制的原理：

把正弦半波波形分成X等份，就可把正弦半波看成山X个彼此相连的脉冲所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于n/n,但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。

可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。

根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PW波形。

在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交一直一交变频器中，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。

根据上述原理，山于本例需要的是方波信号，则用三角载波与误差信号进行比较产生PWM波形。

通过调解PI调节器的参数和给定信号，那么各脉冲的宽度和间隔就可以准确讣算出来。

按照讣算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。

4・2、闭环电路参数设计

4.2.1>Gvd⑸的传递函数分析

在CCM情况下，占空比D到输出电压的小信号传递函数为:

（4-1）

_l+sRLf

q见）"]+$./+疋/岔

（4-2）

+（&+&JxC/]

该Boost变换器的输入电压为40V,输出电压为100V,输出电流为10A,L尸60uH,CfIOOuF,用Mathcad画出Gvd（s）的幅频特性曲线及相频特性曲线,如图12所示。

Gvd（s）幅频特性曲线

图12：

Gvd（s）幅频特性曲线

从图12可以求得，Gvd（s）的低频增益为39.913dB,谐振频率fr=2.48kHz,

截止频率fc二21.96kHz,并且斜率为-40dB/Dec

Gvd心）相频特性曲线

图13：

Gvd（s）相频特性曲线

从图13中可求得，其相角裕度为30度。

相角裕度要进行适当补偿。

422、补偿环节Gc⑸的设计

选择双零三极补偿

确定环路增益的截止频率fc

为了使系统响应速度较快，那么fc越大越好；为了抑制开关频率干扰，fc越小越好。

因此通常去fc二（l/4~l/6）fs。

这里去fc=l/5fs=40kHzo

III|Gvd（40kHz）|=0.438得：

IG,（£）H（£）I!

Vm=1/1GM（Q1=1/0.438=2.283（4-3）

若参考电压Vref=5V,则H（s）二5/24；乂取Vm=3V,那么：

IG「（£）1=2.283匕///（/.）=2.283x3/（5/24）=32.88（4-4）

环路增益低频段要有高增益

IIIGvd（s）的幅频特性曲线可知，在低频段增益较低，因此要通过补偿电路提供积分环节。

环路增益高频段迅速衰减

通过补偿电路增加两个极点，一个用来消除ESR所引起的零点的影响，另一个用来使疡频段以-40dB/Dec的斜率衰减。

环路增益要有足够的相角裕度

通过补偿电路增加2个零点，对二阶震荡环节的相位进行补偿，从而获得足

够的相角裕度。

（4-6）

423、补偿环节参数设计

环路增益T（s）=Gc（s）Gvd（s）H（s）/Vm,且要保证其截止频率fc二40kHz,并且

满足T（s）性能要求,令吆］=%=%%=%=二厂2"=10皱

KcCf

（4-7）

其中，©为截止角频率，0.=2龙£。

（4-8）

根据Gc（fc）1=32.88得,K二3.875x101因此,由下面的方程接触参数:

R3（C,+C2）=l/K=2.5xlO-5

（4-9）

R1C2=（R2+R3）C3=1/^）=6x1O_5

（4-10）

R2C3=2x1O"7

（4-11）

cc

R,一=7.25xIO'7（4-12）

G+C2

取R、=l5kG,则解得各参数如下：

凡=50.1670,&=36・44kO,q=20」4pF,C2=1.647nF,C3=3.987nF

取参数为：

R、=36kG,C}=20pF,C2=1.6nF

图15：

tt（f）幅频特性曲线

tt（f）相频特性曲线

图16：

tt（f）相频特性曲线

从图16的环路增益特性曲线可知：

满足T（s）在低频段有高增益，在截止频率处斜率为-20dB/Dec,在高频段以-40dB/Dec的斜率衰减，同时相角裕度为130度。

图17:

具有反馈环的Boost变换器系统结构示意图

（五）Boost电路的仿真分析

仿真元件的参数设定完成后，就可以进行仿真分析了，仿真结果如图所示，下图是开关管的驱动波形。

当开关导通时驱动波形为高电平，当开关断开时，驱动波形为低电平。

GraphO

n_43o^Bnrowinnnnnnnnnnnr

duty:

0.G1964freq:

99998.0（

图18：

开关管的驱动波形

由图18可得开关器件的驱动频率freq二99.998khz,占空比duty二0.61964。

占空比是通过给定值与三角波进行比较产生的。

与理论值频率lOOkhz,占空比0.6接近。

图19为流经电感L的波形即电源的电流波形，正如在前面分析的电感电流是脉动的而且是连续的。

Gr6ph4

图20为输岀电压波形，曲图20可知输出电压11140v始增长，经过一段时间达到稳态值100v,山理论计算。

可见仿真结果与理论计算值是一致的。

Graph3

t（R

图20：

给定为2.5V时输出电压波形

当给定值从2.5V改为2.3V时输出电压的波形:

Graph3

t（s）

图21：

给定为2・3V时输出电压波形

输出电压最终的稳态值为91.IV左右。

当给定改为2.1V时输出电压的波形：

Graph2

i（s）

图22：

给定为2.1时输出电压波形

输出电压最终的稳态值为79.3V左右。

对比图20、图21、图22分析这三次的输出电圧的波形我们可以知道输出电压的波形是跟随给定电压变化的且呈线性关系，说明误差放大器的调解功能是成功的。

下图为输出电流波形，山图可知输岀电流为的最终稳态值为1OA左右，也与理论值接近。

Grapfi3

t（s）

图23：

输出电流波形

111图23的波形分析可知，此设讣满足升压变换器电源设计输入电压40V,输出电压100V,输出电流10A的设计要求。

（6）结论

输出的纹波电压小于C。

％的限值条件下，电感和电容的临界参数本文在仿真软件Saber中建立了Boost变换器的系统模型分析了Boost的工作原理，仿真得到了系统的输出波形与理论计算值一致，为其他通用的升压变换器系统Saber模型打下了基础。

掌握Saber仿真软件对电力电子的研发及教学有重要的意义。

并且Saber系统仿真软件更适合于电力电子电路的分析和系统研究。

同时，由于它方便的模型构造方法较之普通的Pspice仿真软件具有更强的电路和系统研究功能，所以Saber系统仿真软件将为电力电子技术的应用提供更有效的手段。

通过对DC/DC开关电源的开环仿真发现输出电压与输入电压成比例，不能满足设讣要求对系统进行小信号分析。

求出控制输出的伯德图据此分析反馈网络的设讣，求出反馈网络各元件参数值然后将反馈网络加入系统进行仿真。

结果表明,所设计的反馈网络，不仅使得输出电压迅速上升，而且减小了输出电压的纹波系数，提高了输出电压的稳定性。

因此釆用软件不仅可以方便地进行电路设计与仿真，而且可以根据系统小信号分析结果得出系统传递函数。

并进行电路校正分析解决了实际系统求取系统传递函数。

（7）参考文献

[llSynopsys,HspicetmsimulationandAnalysisUserGuide.

[2」Analogy,Inc.SaberDesignerIntroductoryCourse[z].1997.

[3]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计：

电子工业岀版2000.

[4]丁道宏.国内外开关电源的发展展望[J].电气时代,2000（10）.

[5]朱桂萍、陈建业.电力电子电路的计算机仿真第二版.北京清华大学出版社，2008.

[6]王建华、张方华、龚春英等.电压控制型变换器输出阻抗优化设计[J].电工技术学报