BUCK开关电源的应用Word下载.docx
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第1章课题背景
1.1BUCK电路的工作原理
BUCK开关电源功能是将电能质量较差的原生态电源,转换成满足设备要求的质量较高的直流电压。
1.2BUCK开关电源的应用
开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器,电子冰箱,液晶显示器,LED灯具,通讯设备,视听产品,安防监控,LED灯袋,电脑机箱,数码产品和仪器类等领域。
它巨大的作用决定了对它研究的意义。
第2章课题设计要求
1.根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值,完成开关电路的设计
2.根据设计步骤和公式,设计双极点-双零点补偿网络,完成闭环系统的设计
3.采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换器的仿真模型
4.观察并记录系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形
第3章课题设计方案
3.1
参数
图3-1Buck变换器主电路图
1、输入直流电压(VIN):
32V。
2、输出电压(VO):
18V。
3、负载电阻:
3。
4、输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV,电感电流脉动:
输出电流的10%。
5、开关频率(fs):
80kHz。
6、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V,电感中的电阻压降VL=0.1V,开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为75u*F。
7、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸,负载突加突卸的脉冲信号幅值为1,周期为0.012S,占空比为2%,相位延迟0.006S。
当s导通时有:
VinVoVllVonLdi(diLI)
(1)
dtdtton
当s关断时有:
LIVoVllVD
(2)
toff
1
t与fs的关系:
tontoff(3)
fs
3.2系统的组成
整个BUCK电路包括Gc(S)为补偿器,Gm(S)PWM控制器,Gvd(S)开环传递函数和H(S)反馈网络。
采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWM控制器的波形的占空比,当占空比发生变化时,输出电压Uo做成相应调整来消除偏差。
系统传函框图:
3-2。
图3-2系统传函框图
3.3主电路部分的设计
3.3.1滤波电感的计算
由公式RcVrr,其中IL0.1IN(4)
IL
INVo,其中Vo18v,R=3(5)
R
CRc75uF(6)
设计要求中Vrr50mv,求得Rc,C9*10^4F。
12
3.3.2滤波电容的计算
由前面的公式
(1),
(2),(3)及一些参数VIN32v,VO18v,VL0.5v,
VOn0.5v,VD0.5v。
算得:
ton7.27*10^6s,toff5.23*10^6s,
L1.62*10^4H。
3.4开环系统的分析
3.4.1开环原始传递函数的计算
采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为:
8)
其中VmVref,VrefrVo*
RxRy
其中Rx,Ry是分压电阻,它们的取值是不固定的,但是他们的单位要是
将数据代入公式(7),得
1.3310^4s1.78
1.45810^7s25.410^5s1
3.4.2开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图
将G0(s)的表达式输入到MATLA软B件中,可以得到如图3-3所示的伯德图,
由图可知Pm=25.6deg。
相角裕度过低。
需要添加有源超前滞后补偿网络校正。
图3-3开环原始传递函数的伯德图
3.5闭环系统的设计
图3-4闭环系统结构框图
图3-4中包含输入电源,滤波电感,滤波电容,负载,脉冲信号,续流二极管,参考电压以及一些传递函数。
3.6双极点双零点补偿控制器的设计
3.6.1补偿网络电路的原理分析
图3-5有源超前-滞后补偿网络电气图
图3-5中的有源超前-滞后补偿网络电路由一些电阻和电容的串并联组成,通过数电与模电的知识可以得到它的传递函数表达式:
Gc(s)
Gc(s)
(1sR2C1)[1s(R1R3)C3]
10)
[sR1(C1C2)](1sR2C1C2)(1sR3C3)
C1C2
有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。
p1,p2
2LC
416.51Hz
23.141.6210^4910^4
fZO
Z1
Z2
p2
p3
2RcC23.141910^4
2131.67Hz
0.75fpo0.75416.51312.38Hz
po
ZO
零点为:
极点为:
8040kHz
2
1312.38
2R2C1
1416.51
2(R1R3)C32R1C3
fp1为原点
2R3C3
R2C1C2
R2频率fz1与fz2之间的增益可近似为:
AV1R2
R1
在频率fp2与fp3之间的增益则可近似为:
AV2R2R1R3R2
R1R3
R3
11)
12)
13)
14)
(15)
(16)
(17)
18)
19)
(20)
(21)
(22)
考虑达到抑制输出开关纹波的目的,增益交接频率取(fs为开关频率):
fs80
fgs16kHz
g55
开环传函Gos的极点频率为:
(23)
23.141.62410^4910^4
(24)
将Gcs两个零点的频率设计为开环传函Gos两个相近极点频率的1,则
11fZ1fZ2fp1,p2416.51208.26Hz(25)
22
将补偿网络Gcs两个极点设为fp2fp3fs80kHz,以减小输出的高频开关纹波。
fZ2R2
AV1Z2Gc(j2fg)2(26)
fgR1
fp2R2
AV2Gc(j2fg)(27)
fgR3
根据已知条件使用MATLAB程序算得校正器Gc(s)各元件的值如下(程序见附录),取R2=10000欧姆:
AV1=1.4259;
AV2=548.0150;
R3=18.2477;
C1=7.6462e-008;
C3=1.0902e-007;
C2=1.9894e-010;
R1=7.0133e+003。
通过公式(10)得出Gc(s):
5.862e007s20.001531s1
Gc(s)=32
2.122e015s32.136e009s20.0005736s
3.6.2补偿器伯德图
3.6.3
图3-6补偿器伯德图
3.6.4加入补偿器后系统伯德图分析
8
图3-7加入补偿器后系统的伯德图
由图可知,在加入补偿器之后的pm=152deg,它远远大于未补偿之前的
Pm=25.6deg,相角裕度增加,达到设计的要求。
4.7闭环系统的仿真
4.7.1电路模块的添加
在MATLA软B件中,点击Simulink,新建一个.mdl的文件,然后按照仿真电路图向其中添加相应的模块。
本次的课程设计所需的模块大多数都在SimpowerSystem中,如power,Mosfet,L,Relay,Rc,C,PulseGenerator,Ideal
Switch,R,VoltageMeasurement,Scope,Transportdelay,gelding,TransferFcn,Saturation,
4.7.2仿真电路参数的设置
1输入的直流电压为18V。
2采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸,负载突加突卸的脉冲信号幅值为1,周期为0.012S,占空比为2%,相位延迟0.006S。
3设置仿真时间为0.04s,采用ode23s算法,可变步长。
4设置传输延迟(TransportDelay)的时间延迟(TimeDelay)为0.006,积分(Integrator)的饱和度上限(Uppersaturationlimit)为0.8349,下限为
0.832,绝对误差(Absolutetolerance)为0.000001,PWM的载波为80kHz,幅值为14.4V的锯齿波。
4.7.3仿真结果
图3-8未加干扰仿真图
图3-9加干扰仿真图
第4章总结心得
通过这次设计,更加深入的理解和掌握了这方面的知识,对本专业的认识也更加深入,在设计过程中,自己也学到了许多新的知识,有很多感悟和体验
10心得。
本课程设计是在韩霞老师的亲切关怀与细心指导下完成的。
从课题的选
择到最终的完成,韩老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持,让我们获益菲浅,并且将终生受用无穷。
在此对钱老师表示最衷心的感谢!
第5章参考文献
[1]电力电子技术王兆安机械工业出版社
[2]开关电源技术教程张占松机械工业出版社
[3]电源的计算机仿真技术陆治国科学出版社
[4]电力电子技术计算机仿真实验李传琦电子工业出版社
[5]电力电子应用技术的MATlab仿真杜飞中国电力出版社
[6]电力电子技术的MATLA实B践黄忠霖国防工业出版社
[7]电力电子系统建模及控制徐德洪机械工业出版社
第6章附录
附录1MATLAB所用程序:
clc;
clear;
Vg=32;
L=1.624*10^(-4);
C=9*10^(-4);
fs=80*10^3;
R=3;
Vm=14.4;
H=0.8;
Rc=0.083;
G0=tf([C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm],[L*C,L/R,1]);
figure
(1);
margin(G0);
fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C));
fg=(1/5)*fs;
fz1=(1/2)*fp1;
fz2=(1/2)*fp1;
fp2=fs;
fp3=fs;
[marg_G0,phase_G0]=bode(G0,fg*2*pi);
marg_G=1/marg_G0;
AV1=fz2/fg*marg_G
AV2=fp2/fg*marg_G
R2=10*10^3;
R3=R2/AV2
11
C1=1/(2*pi*fz1*R2)
C3=1/(2*pi*fp2*R3)
C2=1/(2*pi*fp3*R2)
R1=1/(2*pi*fz1*C3)num=conv([C1*R2,1],[(R1+R3)*C3,1]);
den1=conv([(C1+C2)*R1,0],[R3*C3,1]);
den=conv(den1,[R2*C1*C2/(C1+C2),1]);
Gc=tf(num,den);
figure
(2);
bode(Gc);
G=series(Gc,G0);
figure(3)
margin(G)
附录2仿真电路原理图:
13
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- BUCK 开关电源 应用