BUCK開關(guān)電源的應(yīng)用

1、目 錄第1章 課題背景11.1 BUCK電路的工作原理11.2 BUCK開關(guān)電源的應(yīng)用1第2章 課題設(shè)計要求1第3章 課題設(shè)計方案13.1 參數(shù)13.2 系統(tǒng)的組成23.3 主電路部分的設(shè)計23.3.1 濾波電感的計算33.3.2 濾波電容的計算33.4 開環(huán)系統(tǒng)的分析33.4.1 開環(huán)原始傳遞函數(shù)的計算33.4.2 開環(huán)原始傳遞函數(shù)的伯德圖和相角裕量的分析圖43.5 閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計43.6 雙極點雙零點補償控制器的設(shè)計53.6.1 補償網(wǎng)絡(luò)電路的原理分析53.6.2 補償器伯德圖73.6.3 加入補償器后系統(tǒng)伯德圖分析83.7 閉環(huán)系統(tǒng)的仿真93.7.1 電路模塊的添加93.7.2 仿真電路

2、參數(shù)的設(shè)置93.7.3 仿真結(jié)果10第4章 總結(jié)心得10第5章 參考文獻11第6章 附錄11第1章 課題背景1.1 BUCK電路的工作原理BUCK開關(guān)電源功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓。1.2 BUCK開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設(shè)備，視聽產(chǎn)品，安防監(jiān)控，LED燈袋，電腦機箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。它巨大的作用決定了對它研究的意義。第2章 課題設(shè)計要求1. 根據(jù)設(shè)計要求計算濾波電感

3、和濾波電容的參數(shù)值，完成開關(guān)電路的設(shè)計2. 根據(jù)設(shè)計步驟和公式，設(shè)計雙極點-雙零點補償網(wǎng)絡(luò)，完成閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計3. 采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型庫搭建開環(huán)閉環(huán)降壓式變換器的仿真模型4. 觀察并記錄系統(tǒng)在額定負(fù)載以及突加、突卸80%額定負(fù)載時的輸出電壓和負(fù)載電流的波形第3章 課題設(shè)計方案3.1 參數(shù)圖3-1 Buck變換器主電路圖11、 輸入直流電壓(VIN)：32V。2、 輸出電壓(VO)：18V。3、 負(fù)載電阻：3。4、 輸出電壓紋波峰-峰值Vpp50mV ，電感電流脈動：輸出電流的10%。5、開關(guān)頻率(fs)：80kHz。6、BUCK主電路二極管的

4、通態(tài)壓降VD=0.5V，電感中的電阻壓降VL=0.1V，開關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電容RC的乘積為75。7、采用壓控開關(guān)S2實現(xiàn)80%的額定負(fù)載的突加、突卸，負(fù)載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為0.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S。當(dāng)s導(dǎo)通時有： （） （1）當(dāng)s關(guān)斷時有： （2）t與的關(guān)系： （3）3.2 系統(tǒng)的組成整個BUCK電路包括Gc(S)為補償器，Gm（S）PWM控制器，Gvd（S）開環(huán)傳遞函數(shù)和H(S) 反饋網(wǎng)絡(luò)。采樣電壓與參考電壓Vref比較產(chǎn)生的偏差通過補償器校正后來調(diào)節(jié)PWM控制器的波形的占空比，當(dāng)占空比發(fā)生變化時，輸出電壓Uo做成相應(yīng)調(diào)整

5、來消除偏差。系統(tǒng)傳函框圖：3-2。 圖3-2 系統(tǒng)傳函框圖3.3 主電路部分的設(shè)計3.3.1 濾波電感的計算由公式，其中 （4），其中，R=3 （5） （6）設(shè)計要求中，求得，。3.3.2 濾波電容的計算由前面的公式（1），（2），（3）及一些參數(shù)，。算得：，。3.4 開環(huán)系統(tǒng)的分析3.4.1 開環(huán)原始傳遞函數(shù)的計算采用小信號模型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)GO(s)為： （7）其中， （8）其中，是分壓電阻，它們的取值是不固定的，但是他們的單位要是級的，這樣整個電路的誤差會小。此次設(shè)計，它們的單位是。 （9）將數(shù)據(jù)代入公式（7），得 =3.4.2 開環(huán)原始傳遞函數(shù)的伯德圖和相角

6、裕量的分析圖將的表達式輸入到MATLAB軟件中，可以得到如圖3-3所示的伯德圖，由圖可知=25.6deg。相角裕度過低。需要添加有源超前滯后補償網(wǎng)絡(luò)校正。 圖3-3 開環(huán)原始傳遞函數(shù)的伯德圖3.5 閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計 圖3-4 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖3-4中包含輸入電源，濾波電感，濾波電容，負(fù)載，脈沖信號，續(xù)流二極管，參考電壓以及一些傳遞函數(shù)。3.6 雙極點雙零點補償控制器的設(shè)計3.6.1 補償網(wǎng)絡(luò)電路的原理分析圖3-5 有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)電氣圖圖3-5中的有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)電路由一些電阻和電容的串并聯(lián)組成，通過數(shù)電與模電的知識可以得到它的傳遞函數(shù)表達式： （10）有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò)有兩個

7、零點、三個極點。 （11） （12） （13） （14） （15） （16）零點為： （17） （18）極點為：為原點 （19） （20）頻率與之間的增益可近似為: （21）在頻率與之間的增益則可近似為： （22）考慮達到抑制輸出開關(guān)紋波的目的，增益交接頻率?。殚_關(guān)頻率）：kHz (23)開環(huán)傳函的極點頻率為： (24)將兩個零點的頻率設(shè)計為開環(huán)傳函兩個相近極點頻率的，則 (25)將補償網(wǎng)絡(luò)兩個極點設(shè)為,以減小輸出的高頻開關(guān)紋波。 (26) (27)根據(jù)已知條件使用MATLAB程序算得校正器Gc（s）各元件的值如下（程序見附錄），取R2=10000歐姆：=1.4259；=548.0150；=

8、18.2477；=7.6462e-008；=1.0902e-007；=1.9894e-010；=7.0133e+003。通過公式（10）得出：=3.6.2 補償器伯德圖 圖3-6 補償器伯德圖 3.6.3 加入補償器后系統(tǒng)伯德圖分析圖3-7 加入補償器后系統(tǒng)的伯德圖由圖可知，在加入補償器之后的=152deg,它遠遠大于未補償之前的=25.6deg，相角裕度增加，達到設(shè)計的要求。3.7 閉環(huán)系統(tǒng)的仿真3.7.1 電路模塊的添加在MATLAB軟件中，點擊Simulink,新建一個.mdl的文件，然后按照仿真電路圖向其中添加相應(yīng)的模塊。本次的課程設(shè)計所需的模塊大多數(shù)都在SimpowerSystem中

9、，如power,Mosfet,L,Relay,Rc,C,Pulse Generator,Ideal Switch,R,Voltage Measurement,Scope,Transport delay,gelding,Transfer Fcn,Saturation,3.7.2 仿真電路參數(shù)的設(shè)置輸入的直流電壓為18V。采用壓控開關(guān)S2實現(xiàn)80%的額定負(fù)載的突加、突卸，負(fù)載突加突卸的脈沖信號幅值為1，周期為0.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S。設(shè)置仿真時間為0.04s，采用ode23s算法，可變步長。設(shè)置傳輸延遲(Transport Delay)的時間延遲(Time Delay)為0

10、.006，積分(Integrator)的飽和度上限(Upper saturation limit)為0.8349，下限為0.832，絕對誤差(Absolute tolerance)為0.000001，PWM的載波為80kHz，幅值為14.4V的鋸齒波。3.7.3 仿真結(jié)果圖3-8 未加干擾仿真圖圖3-9 加干擾仿真圖第4章 總結(jié)心得通過這次設(shè)計，更加深入的理解和掌握了這方面的知識，對本專業(yè)的認(rèn)識也更加深入，在設(shè)計過程中，自己也學(xué)到了許多新的知識，有很多感悟和體驗心得。本課程設(shè)計是在韓霞老師的親切關(guān)懷與細心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到最終的完成，韓老師始終都給予了細心的指導(dǎo)和不懈的支持，讓我們獲

11、益菲淺，并且將終生受用無窮。在此對錢老師表示最衷心的感謝！ 第5章 參考文獻1 電力電子技術(shù) 王兆安 機械工業(yè)出版社 2 開關(guān)電源技術(shù)教程 張占松 機械工業(yè)出版社3 電源的計算機仿真技術(shù) 陸治國科學(xué)出版社4 電力電子技術(shù)計算機仿真實驗李傳琦電子工業(yè)出版社5 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATlab仿真杜飛中國電力出版社6 電力電子技術(shù)的MATLAB實踐黃忠霖國防工業(yè)出版社7 電力電子系統(tǒng)建模及控制徐德洪機械工業(yè)出版社第6章 附錄附錄1 MATLAB所用程序：clc;clear;Vg=32;L=1.624*10(-4);C=9*10(-4);fs=80*103;R=3;Vm=14.4;H=0.8;Rc=0

12、.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_GAV2=fp2/fg*marg_GR2=10*103;R3=R2/AV2C1=1/(2*pi*fz1*R2)C3=1/(2*pi*fp2*R3)C2=1/(2*pi*fp3*R2)R1=1/(2*