BUCK开关电源的应用.docx
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BUCK开关电源的应用
第1章课题背景1...
1.1BUCK电路的工作原理1..
1.2BUCK开关电源的应用1..
第2章课题设计要求1...
第3章课题设计方案1...
3.1参数1...
3.2系统的组成2...
3.3主电路部分的设计2..
3.3.1滤波电感的计算3..
3.3.2滤波电容的计算3..
3.4开环系统的分析3..
3.4.1开环原始传递函数的计算3.
3.4.2开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图4
3.5闭环系统的设计4..
3.6双极点双零点补偿控制器的设计5.
3.6.1补偿网络电路的原理分析5.
3.6.2补偿器伯德图7..
3.6.3加入补偿器后系统伯德图分析8.
3.7闭环系统的仿真9..
3.7.1电路模块的添加9..
3.7.2仿真电路参数的设置9..
3.7.3仿真结果1..0
第4章总结心得1..0.
第5章参考文献11
第6章附录11
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)
1
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
1
2RcC23.141910^4
12
2131.67Hz
0.75fpo0.75416.51312.38Hz
po
ZO
零点为:
Z1
Z2
极点为:
416.51Hz
2131.67Hz
8040kHz
2
1312.38
2R2C1
1416.51
2(R1R3)C32R1C3
fp1为原点
p2
2R3C3
p3
R2C1C2
C1C2
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)
1
23.141.62410^4910^4
416.51Hz
(24)
1
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):
2
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:
12
13
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- BUCK 开关电源 应用
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