BUCK开关电源闭环控制的仿真研究 80V60V.docx
- 文档编号:7381298
- 上传时间:2023-01-23
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:447.56KB
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究 80V60V.docx
《BUCK开关电源闭环控制的仿真研究 80V60V.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《BUCK开关电源闭环控制的仿真研究 80V60V.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究80V60V
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
课程设计说明书
课程设计名称:
电力电子技术
题目:
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-80V/60V
2016年6月
目录
一、课题背景3
1.1BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律3
1.2BUCK电路的工作原理4
二、目的5
三、设计要求5
四、设计步骤6
(一)主电路参数设计6
(二)滤波电感L的计算6
(三)闭环系统的设计6
五、总结和心得10
六、参考文献10
七、附录11
一、课题背景
1.1BUCK电路的基本结构及等效电路基本规律
BUCK变换器也称降压式变换器,是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器,主要用于电力电路的供电电源,也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
主电路如图1所示,其中Rc为电容的等效电阻(ESR)。
图1-1BUCK电路基本结构图
在上图所示电路中,电感L和电容C组成低通滤波器,此滤波器设计的原则是使的直流分量可以通过,而抑制的谐波分量通过;电容上输出电压就是的直流分量再附加微小纹波。
由于电路工作频率很高,一个开关周期内电容充放电引起的纹波很小,相对于电容上输出的直流电压V有:
。
电容上电压宏观上可以看作恒定。
电路稳态工作时,输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成个,宏观上可以看作是恒定电流,这就是开关电路稳态分析中的小扰动近似原理。
一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时,电容电压升高,导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加,使电容电压上升速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,此时电压维持不变;反之,如果一个周期内放电电荷高于充电电荷,将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小,使电容电压下降速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,最终维持电压不变。
这种过程是电容上电压调整的过渡过程,在电路稳态工作时,电路达到稳定平衡,电容上充放电也达到平衡,这是电路稳态工作时的一个普遍规律。
开关S置于1位时,电感电流增加,电感储能;而当开关S置于2位时,电感电流减小,电感释能。
假定电流增加量大于电流减小量,则一个开关周期内电感上磁链增量为:
,此增量将产生一个平均感应电势:
此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度,最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零;一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。
这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量(磁链平均增量)为零的现象称为:
电感伏秒平衡。
这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。
1.2BUCK电路的工作原理
1.2.1电感电流连续工作模式(CCM)下稳态工作过程分析
(1)晶体管导通状态
VD关断,依据等效电路拓扑,
由于电路频率很高,一个周期内和基本维持不变,可视为固定值,为常数,电流变化为线性。
,
,
。
(2)二极管VD导通模式
晶体管关断,电感续流,二极管导通,
同样,由于视为维持不变,则输出电流线性减小。
,
,
,
。
1.3BUCK电路应用
主要应用于低压大电流领域,其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。
采用一般的二极管续流,其导通电阻较大,应用在大电流场合时,损耗很大。
用导通电阻非常小的MOS管代替二极管,可以解决损耗问题,但同时对驱动电路提出了更高的要求。
此外,对Buck电路应用同步整流技术,用MOS管代替二极管后,电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器,为实现双向DC/DC变换提供了可能。
在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合,很有应用价值,如应用于混合动力电动汽车时,辅以三相可控全桥电路,可以实现蓄电池的充放电。
二、目的
1.了解开、闭环降压拓扑的基本结构及工作原理;
2.掌握BUCK开关电源电路中各元器件选择和主要参数的计算;
3.运用Matlab仿真软件对所设计的开、闭环降压电路进行仿真。
4.掌握降压电路电压控制双极点、双零点补偿器环节的设计与仿真技术。
三、设计要求
输入直流电压(VIN):
80V
输出电压(VO):
60V
输出电流(IN):
10A
输出电压纹波(Vrr):
50mV
5、开关频率(fs):
100kHz
6、负载突变为80%的额定负载
7、电流脉动峰-峰值:
8、二极管的通态压降VD=0.5V,电阻压降VL=0.1V,开关管导通压降VON=0.5V
9、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0.0125,占空比2%,相位延迟0.0065s。
四、设计步骤
(一)主电路参数设计
1、电容等效电阻RC和滤波电感C的计算
Buck变换器主电路如图下所示,其中RC为电容的等效电阻(ESR)。
图4-1Buck变换器主电路图
输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关,
(式1-1)
电解电容生产厂商很少给出ESR,但C与RC的乘积趋于常数,约为50~80μ*ΩF。
本例中取为75μΩ*F。
计算出RC和C的值。
C=1500
(二)滤波电感L的计算
开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程
S导通:
++(式1-2)
S关断:
(式1-3)
,再利用
,可得TON=15.154μS,将此值回代式
(2),可得L=294μH
(三)闭环系统的设计
1、闭环系统结构框图
图4-2闭环系统结构框图
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
图4-2闭环系统结构框图
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:
图4-3BUCK变换器系统框图
2、BUCK变换器原始回路传函
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:
其中
为锯齿波PWM环节传递函数,近似成比例环节,为锯齿波幅值
Vm的倒数。
为采样网络传递函数,,Rx,Ry为输出端反馈电压的分压电阻,为开环传递函数。
将Vm=50V,H(S)=5/6,Vin=80V,C=1500uF,Rc=0.05欧,L=294uH,R=3欧代入传函表达式,得到:
用matlab绘制波德图,得到相角裕度2.28度。
所用matlab程序:
见附录1
由于相角裕度过低。
需要添加有源超前滞后补偿网络校正。
3、补偿器的传函设计:
见附录2
补偿器的传递函数为:
图4-4有源超前-滞后补偿网络
有源超前——滞后补偿网络有两个零点、二个极点。
零点为:
极点为:
位原点,,
频率与之间的增益可近似为:
在频率与之间的增益则可近似为:
考虑达到抑制输出开关纹波的目的,增益交接频率取
开环传函的极点频率为,将两个零点的频率设计为开环传函两个相近极点频率的,则.
将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。
先将R2任意取一值,然后根据公式可推算出R1,R3,C1,C2,C3,进而可得到Gc(S)。
根据Gc(S)确定Kp,ki,kd的值。
依据上述方法计算后,Buck变换器闭环传递函数:
G(s)=GO(s)Gc(s)
计算过程可通过matlab编程完成。
根据闭环传函,绘制波德图,得到相角裕度,验证是否满足设计要求。
参考程序如下:
见附录3
依据上述方法计算后,Buck变换器闭环传递函数:
T(s)=GO(s)Gc(s)=
3、闭环系统仿真
(1)用Matlab绘制Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图(不含干扰负载)
图4-5Buck电路双极点-双零点控制系统的仿真图
(2)对闭环系统进行仿真(不含干扰负载),使参数符合控制要求),并记录波形。
经过调试,设置传输延迟(TransportDelay)的时间延迟(TimeDelay)为0.0002,积分(Integrator)的饱和度上限(Uppersaturationlimit)为1.5,下限为1.3,绝对误差(Absolutetolerance)为0.000001,PWM的载波为100kHz,幅值为1.5V的锯齿波。
(3)设置仿真时间为0.04s,采用ode23s算法,可变步长。
(4)系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。
其中采用压控开关S2实现负载的突加、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。
波形图:
见附录4
五、总结和心得
回顾此次BUCK开关电源闭环控制的仿真研究课程设计的一个星期,我感慨很多。
从理论到时践,我遇到了很多困难,但是同时也学到了好多东西。
它不仅巩固了以前所学的理论知识,更是学到了很多课外的东西,锻炼了自己解决实际问题的能力。
在此次课程设计过程中,我遇到的问题还是很多的。
刚开始拿到这个题目时,不知道如何下手,课本上涉及这部分的原理知识比较少,光靠自己所学的知识根本解决不了,于是我去图书馆以及网站找了很多资料,学习了很多课本上没有的东西,感觉特别充实。
然后在做设计的过程中我学到了很多东西,也知道了自己的不足之处,知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,以后还要努力。
通过这次课设,发现了自己的不足和缺陷,也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力,受益良多。
感谢韩霞老师耐心的教导,一点也不马虎。
让我们受益良多。
正是老师的认真负责才让我们在一周呢学到更多的知识和实用技能。
同时能够顺利地做完课程设计还要感谢同组成员的帮助。
六、参考文献
[1]陆治国.电源的计算机仿真技术.科学出版社.TM91/22
[2]李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.TM1-33/10
[3]杜飞.电力电子应用技术的MATLAB实践.中国电力出版社.TM769/5
[4]黄忠霖.电力电子技术的MATLAB实践.国防工业出版社.TM1/334
[5]徐徳洪.电力电子系统建模及控制.机械工业出版社.TM1/306
[6]张卫平.开关变换器的建模与控制.中国电力出版社.TN624/6
七、附录
附录1:
num=[0.003,4];
den=[1.323,0.000294,3];
G0=tf(num,den)
Margin(G0)
附录2:
附录3:
clc;
clear;
Vg=80;L=294*10^-3;C=1500*10^-6;fs=100*10^3;R=47;Vm=50;H=5/6;
G0=tf([Vg*H/Vm],[L*CL/R1])
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;
C1=1/(2*pi*fz1*R2);
C3=1/(2*pi*fp2*R3);
C2=1/(2*pi*fp3*R2);
R1=1/(2*pi*C3*fz1);
num=conv([C1*R21],[(R1+R3)*C31]);
den1=conv([(C1+C2)*R10],[R3*C31]);
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)
开环bode图:
闭环bode图:
附录4:
无扰动:
局部放大:
有扰动:
局部放大:
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- BUCK开关电源闭环控制的仿真研究 80V60V BUCK 开关电源 闭环控制 仿真 研究 80 V60V