BUCK變換器設(shè)計(jì)

1、BUCK變換器設(shè)計(jì)報(bào)告 1、 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。2、 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) 輸入電壓：標(biāo)稱(chēng)直流48V，范圍

2、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：10dB 3、BUCK主電路主電路的相關(guān)參數(shù)：開(kāi)關(guān)周期：TS=410-6s占空比：當(dāng)輸入電壓為43V時(shí)，Dmax=0.55814 當(dāng)輸入電壓為53V時(shí)，Dmin=0.45283輸出電壓：VO=24V 輸出電流IO=5A紋波電流：iL=0.25A紋波電壓：VL=100mV電感量計(jì)算：由iL=DTS得： L=DminTS=0.4528410-6=1.0510-4H電容量計(jì)算：由VL=TS得： C=TS=410-6=1.2510-6F而實(shí)際中，考慮到能量存儲(chǔ)以及輸

3、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120F。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) 取RESR=50m，R=4.8，C=120F，L=105H，Vin=48V，可得傳遞函數(shù)為：在MATLAB中根據(jù)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)畫(huà)出Bode圖： clear nu

4、m0=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)

5、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）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：3、 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)

6、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)算公式為基于確定K值，PID調(diào)節(jié)器公式為： 基于K-因子確定補(bǔ)償器的零點(diǎn)、極點(diǎn)位置，并計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)。公式為：校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)如下為：取 計(jì)算得校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為4、 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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求5、 PSIM仿真結(jié)果1、帶有PID調(diào)節(jié)器的PSIM電路如下所示：2、 將R1、R2、R