buck變換器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上· 波形111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111BUCK變換器設(shè)計(jì)報(bào)告電力電子裝置及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入電壓標(biāo)稱直流48V 范圍：43V53V輸出電壓：直流24V輸出電流：直流5A輸出電壓紋波：100mV電流紋波：0.25A開關(guān)頻率：250kHz相位裕量：60°幅值裕量：10dB1.2 設(shè)計(jì)要求計(jì)算主回路的電感和電容值開關(guān)器件選用MOSFET, 計(jì)算其電壓和電

2、流定額設(shè)計(jì)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)畫出整個(gè)電路, 給出仿真結(jié)果2 BUCK主電路各參數(shù)計(jì)算圖1 利用matlab搭建的BUCK主電路Mosfet2在0.01s時(shí)導(dǎo)通，使得負(fù)載電阻由9.6變?yōu)?.8，也就是說負(fù)載由半載到滿載，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流上升一倍，負(fù)載電壓不變，這兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的過程的表征系統(tǒng)的性能指標(biāo)。2.1 電感值計(jì)算當(dāng)Vin=43V時(shí)，Vo=24V，D=0.558 , 求得L=85H當(dāng)Vin=48V時(shí)，Vo=24V，D=0.5 , 求得L=96H當(dāng)Vin=53V時(shí)，Vo=24V，D=0.453，求得L=105H所以，取L=105H2.2 電容值的計(jì)算代入，得C=1.25F，由于考慮實(shí)際中能量存儲(chǔ)

3、以及輸入和負(fù)載變化，一般取C大于該值，取C=120F2.3 開關(guān)器件電壓電流計(jì)算Vsw=Vin-max=53V2.4 開傳遞函數(shù)的確定Gvds=1+sResrC1+s2L1+ResrRC+s(LR+ResrC)VinGvds=Vin(s)d(s)=Vin(1+sZ)1+s202+s/(Q0)其中 Resr=50mz=1ResrC=10.05×120/106 rad/s= rad/s 0=1LC1+ResrR=×+0.054.8=8863 rad/sQ=LCLR+ResrC=120×105×10-6105×10-6/4.8+0.05×1

4、20×10-6 =4.018故開環(huán)傳遞函數(shù)為Gvds=48(1+s)s+s35612+13 系統(tǒng)開環(huán)性能3.1 開環(huán)傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)由MATLAB可以作出系統(tǒng)的開環(huán)函數(shù)的單位階躍響應(yīng)，如下圖所示由圖可知，系統(tǒng)振蕩時(shí)間較長，在5ms之后才可以達(dá)到穩(wěn)定值，超調(diào)量為66.67· 波形666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666%，需要增加校正裝置進(jìn)行校正。3.2 系統(tǒng)開環(huán)輸出電壓電壓、電流響應(yīng)由MATLAB simuli

5、nk作出的系統(tǒng)的輸出電壓、電流響應(yīng)如下圖所示圖2 開環(huán)電壓、電流響應(yīng)在0.01s時(shí)負(fù)載由9.6變?yōu)?.8，電壓振蕩后不變，電流增大一倍。由圖可知電壓超調(diào)量達(dá)到70%，電流超調(diào)量達(dá)到75%。圖3負(fù)載變化時(shí)電流響應(yīng)圖4負(fù)載變化時(shí)點(diǎn)響應(yīng)圖3 電流紋波圖4 電壓紋波電流紋波約為0.002A，電壓紋波為0.01V，符合設(shè)計(jì)的要求，由于器件本身的壓降損耗等因素，電壓穩(wěn)態(tài)值不等于24V，電流的穩(wěn)態(tài)值也不等于5A。4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 控制原理圖5 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理取輸出輸出信號(hào)作為反饋信號(hào)，經(jīng)過校正裝置來控制MOSFET的導(dǎo)通和斷開，在開關(guān)周期一定的情況下控制占空比，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。根據(jù)控制信號(hào)的不同，有以

6、下兩種控制方法：圖6 電壓型控制電壓控制型：電壓作為反饋信號(hào)，經(jīng)過校正裝置與鋸齒波比較來控制開關(guān)的占空比。圖7 電流型控制電流峰值控制：用通過功率開關(guān)的電流波形替代普通PWM調(diào)制電路中的載波信號(hào)。4.2 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖8 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)增益:T=Gvd(s)×H(s)×Gc(s)×GPWM調(diào)節(jié)器增益：Gc(s)×GPWM反饋因子：H(s)4.3 調(diào)節(jié)器類型積分器 PI調(diào)節(jié)器 PID調(diào)節(jié)器積分器：斜率-20db/dec, -90°.PI調(diào)節(jié)器：加入一個(gè)零點(diǎn)，局部斜率平坦，并且可提供90°的超前相位。PID調(diào)節(jié)器：加入兩個(gè)零點(diǎn)，局部

7、斜率上翹，并且可提供180°的超前相位。4.4 閉環(huán)系統(tǒng)各參數(shù)確定采用電壓型控制，取輸出電壓作為反饋量，選用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且使用K因子法確定各參數(shù)的數(shù)值。4.4.1 確定相位裕量根據(jù)設(shè)計(jì)要求，相位裕量為60°，為確保校正成功，取相位裕量為70°4.4.2 確定剪切頻率 由于PID調(diào)節(jié)器可以提供180度相位超前fc<Hz=Hz取 fc=10kHz。4.4.3 確定Gb由開環(huán)傳遞函數(shù)可以求得當(dāng)fc=10kHZ，即c=2×104 rad/s 時(shí)，由于,所以Hs=13.32=0.3,可得代入傳遞函數(shù)G(s)×H(s),可得Gb=1Gs&

8、#215;Hs=3.194.4.4 各電路參數(shù)及Gc(s)的確定c=-157°b=70°+157°-90°=137°由K因子法公式可得由公式tanA-B=tanA-tanB1+tanAtanB可得進(jìn)而可得K+1K=27.8K-1K=27.7解得 K=27.75c=KGb1R1(C2+C3)p1=2Kfc=1R2C2p2=2Kfc=1R3C2C3C2+C3z1=cK=1R1+R2C1z1=cK=1R3C3已知 c=2×104rad/s，K=27.75，Gb=3.19，R1=2.32k代入解得z1=z2=11927 rad/sp1=p2=

9、 rad/sGc(s)表達(dá)式為：代入得Gc(s)= 7.913×106s2 + 1.888×1011s + 1.126×10151.423s3+ 9.418×105s2 + 1.559×1011s5 系統(tǒng)閉環(huán)電路設(shè)計(jì)5.1 基于MATLAB的閉環(huán)系統(tǒng)圖 MATLAB下系統(tǒng)閉環(huán)電路5.1.1 校正后的bode圖 MATLAB作出的校正后的系統(tǒng)bode圖圖9 校正前后bode圖利用MATLAB SISOTOOL同樣可以作出加入PID調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的bode圖圖10 MATLAB SISOTOOL作出的bode圖圖中方形點(diǎn)為極點(diǎn)，圓形點(diǎn)為零點(diǎn)，由圖中可以直接讀出,并可以求得幅值裕量為無窮大，均符合設(shè)計(jì)要求。5.1.2 系統(tǒng)的閉閉環(huán)單位階躍響應(yīng)圖11 閉環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)對(duì)比開環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)圖可知，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，在0.5ms時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，振蕩過程大大縮短。5.1.3 閉環(huán)系統(tǒng)輸出電壓、電流波形圖12 電壓響應(yīng)波形圖13 電流響應(yīng)波形圖14 負(fù)載變化電流響應(yīng) 圖15 負(fù)載變化電壓響應(yīng)電壓電流紋波狀