BUCK變換器設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、BUCK 變換器設(shè)計(jì)報(bào)告一、 BUCK 變換器原理降壓變換器（ Buck Converter ）就是將直流輸入電壓變換成相對(duì)低的平均直流輸出電壓。 它的特點(diǎn)是輸出電壓比輸入的電壓低，但輸出電流比輸入電流高。它主要用于直流穩(wěn)壓電源。二、 BUCK 主電路參數(shù)計(jì)算及器件選擇1 、BUCK變換器的設(shè)計(jì)方法利用 MATLAB 和 PSPICE 對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)， 根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)選取合適的主電路及主電路元件參數(shù)， 建立仿真模型， 并進(jìn)行變換器開(kāi)環(huán)性能的仿真， 再選取合適的閉環(huán)控制器進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比較開(kāi)環(huán)閉環(huán)仿真模型的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等，選取性能優(yōu)良的模型進(jìn)行電路搭建。2 、主電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入

2、電壓：標(biāo)稱(chēng)直流48V ，圍 4353V輸出電壓：直流24V ，5A輸出電壓紋波： 100mV電流紋波： 0.25A開(kāi)關(guān)頻率： 250kHz相位裕量： 60 幅值裕量： 10dB3 、BUCK主電路主電路的相關(guān)參數(shù)：開(kāi)關(guān)周期： TS= 1 =4 10 -6 sfs占空比：當(dāng)輸入電壓為43V 時(shí)， D max =0.55814當(dāng)輸入電壓為53V 時(shí)， D min =0.45283輸出電壓： V O =24V輸出電流 IO=5A紋波電流：iL =0.25A紋波電壓：V L =100mV電感量計(jì)算：由i L= V in - max - vo DT S 得：2LL= V in - max - voD m

3、in TS=5324 0.4528 4 10 -6 =1.05 2 iL20.2510 -4H電容量計(jì)算：由V L =iL8CTS得：C=i LTS= 0.25 410 -6 =1.25 10 -6 F8VL8 0.1而實(shí)際中，考慮到能量存儲(chǔ)以及輸入和負(fù)載變化的影響， C 的取值一般要大于該計(jì)算值，故取值為 120 F。實(shí)際中，電解電容一般都具有等效串聯(lián)電阻， 因此在選擇的過(guò)程中要注意此電阻的大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響。通常鉭電容的 ESR 在 100 毫歐姆以下，而鋁電解電容則高于這個(gè)數(shù)值，有些種類(lèi)電容的ESR 甚至高達(dá)數(shù)歐。 ESR 的高低與電容的容量、電壓、頻率和溫度等多因素有關(guān)，一般對(duì)于等效

4、串聯(lián)電阻過(guò)大的電容，我們可以采用電容并聯(lián)的方法減小此串聯(lián)電阻。此處取RESR =50m 。4 、主電路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)V O（ s）R /( RESR1 )Gvd （ s）sCV ind ( s)1sL R /( RESR)sC(sR C1)VinG （s）ESRvd2RL1 s LC(1ESR)s(R C)RRESRG vd ( s )11sszV in2s02Q01zCR ESR1Q 010RESRLRESRLC （1）（RR）C取 RESR =50m ，R=4.8 ，C=120 F ，L=105 H ，V in =48V ，可得傳遞函數(shù)為：2.88 10 4 s 48Gvd (s)8 s2

5、2.7875 105 s 11.27313 10在 MATLAB中根據(jù)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)畫(huà)出Bode 圖： clear num0=2.88e-4,48; den1=1.27313e-8,2.7875e-5,1; bode(num0,den1) kg,gm,wkg,wgm=margin(num0,den1) grid相角裕量 23.0483，顯然不符合設(shè)計(jì)要求，考慮對(duì)其增添閉環(huán)控制回路進(jìn)行校正。5 、主電路的 PSIM 仿真電路如下：電流 I1 波形如下：電壓 V1 波形如下：三、 BUCK 變換器控制框圖BUCK 變換器的控制器主要有電壓型控制和電流型控制，其各自電路圖如下所示電壓型：電流型：電壓型

6、控制原理是將開(kāi)環(huán)電路的輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣信號(hào) H（ s）與基準(zhǔn)電壓 VREF 輸送到誤差放大器， G（s）設(shè)計(jì)的有源串聯(lián)校正 PID 環(huán)節(jié)。其輸出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償在經(jīng)過(guò) PWM ，調(diào)制后的信號(hào)控制開(kāi)關(guān) Q 的通斷，以此來(lái)控制輸出電壓的穩(wěn)定，達(dá)到閉環(huán)控制的目的； 電流型控制用通過(guò)功率開(kāi)關(guān)的電流波形替代普通 PWM 的載波信號(hào)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期之初，由時(shí)鐘脈沖置位 RS 觸發(fā)器，于是 Q1 導(dǎo)通，之后 iL 逐漸增加，當(dāng) iL 大于調(diào)制信號(hào)時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)并復(fù)位 RS 觸發(fā)器， Q1 關(guān)斷。綜合考慮難易程度和功能特性，本設(shè)計(jì)采用電壓型控制電路。采用電壓型控制電路的BUCK轉(zhuǎn)換器原理框圖如下所示：Gvd （s

7、）為開(kāi)環(huán)增益， Gc （ s） GPWM 為調(diào)節(jié)器， H 為反饋因子。則該框圖的閉環(huán)增益為：TGvd(s)H(s)Gc(s)GPWM三、 K- 因子法設(shè)計(jì)控制器調(diào)節(jié)器類(lèi)型有三種：PID 調(diào)節(jié)器性能最佳。搭建好閉環(huán)電路，確定串聯(lián)PID 校正環(huán)節(jié)，確定新的開(kāi)環(huán)剪切頻率和相位裕量， 確定控制回路中各個(gè)電阻電容的取值，這一工作可采用 K- 因子法完成， K- 因子法設(shè)計(jì)步驟是：確定新的剪切頻率；確定校正前處的相角和校正后的相位裕量，計(jì)算需要的相位超前量。計(jì)算公式為bc-c90基于確定 K 值， PID 調(diào)節(jié)器公式為：（1K - tan11）b2 tanKbKtan （）基于 K- 因子確定補(bǔ)償器的零點(diǎn)

8、、極點(diǎn)位置，并計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。公式為：K1cG b R1( C 2C 3 )1f p1K fc2 R2C11fp 2K fcC 2C32 R3C2C3fc1f Z1f Z2K2 C1(R1R2)fc1K2 R3C3校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)如下為：(1ssG b)(12)c2 f Z 1fZ 2G c( s)ssKs (1)(12)2 fp 1fp 2取 fc15.5kHzc163K23.1138計(jì)算得R15500R2248.7196R327393.5964C18.5873nFC28.1493 10 2 nFC31.8021nF校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為2231063.86(1s)220257.04Gc(s)s23.1138s(1)2468217.07四、 MATLAB SISOTOOL利用以上求得的數(shù)據(jù)，用MATLAB的 SISOTOOL工具箱可以畫(huà)出加入補(bǔ)償器后的傳遞函數(shù)BODE圖如下幅值裕量、相角裕量均滿足設(shè)計(jì)要求五、 PSIM 仿真結(jié)果1 、帶有 PID 調(diào)節(jié)器的 PSIM