電力電子課程設(shè)計報告

..天津理工大學(xué)課程設(shè)計報告題目：數(shù)字式Buck變換器系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名劉磊學(xué)號20110761屆2014班級11級2班指導(dǎo)教師陳鵬專業(yè)電氣工程及其自動化起始日期20XX6月1日審核日期20XX6月26日課程設(shè)計內(nèi)容和要求1.1課程設(shè)計內(nèi)容本課程設(shè)計要求設(shè)計如圖BUCK變換器主電路,++-VinQfCfLRDUbUo+-A電路參數(shù)如下輸入電壓：Vin=30VDC；輸出性能：Vout=15VDC；Vout<p-p><=0.2v；Iout=10A；當(dāng)Iout=0.1A時,電感電流臨界連續(xù)。負(fù)載電阻：0.1-8歐開關(guān)頻率：fs=200KHz?？刂扑惴ú捎肞I控制,對控制PI參數(shù)進(jìn)行整定,進(jìn)行MATLAB進(jìn)行仿真,說明控制效果。進(jìn)行程序編制。1.2課程設(shè)計要求1、進(jìn)行主電路設(shè)計,選擇濾波電容、電感、MOSFET等主電路器件。2、進(jìn)行PI控制算法設(shè)計。3、進(jìn)行MATLAB仿真。4、設(shè)計控制系統(tǒng)電路畫出電路圖。1.3課程設(shè)計要點、設(shè)計步驟1、熟練掌握常用EDA設(shè)計軟件,如protel等,進(jìn)行原理圖設(shè)計。2、采用MATLAB軟件進(jìn)行控制參數(shù)的設(shè)計。3、根據(jù)參數(shù)要求設(shè)計主電路參數(shù)。1.4主要技術(shù)關(guān)鍵的分析、解決思路1、分析Buck變換器基本工作原理及工作模式。2、根據(jù)Buck變換器性能指標(biāo)設(shè)計主電路參數(shù)。3、設(shè)計控制系統(tǒng)參數(shù)。4、進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)設(shè)計方案第一節(jié)Buck變換器技術(shù)1.1Buck變換器基本工作原理Buck電路是由一個功率晶體管開關(guān)Q與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成的,其電路如1.1。驅(qū)動信號ub周期地控制功率晶體管Q的導(dǎo)通與截止,當(dāng)晶體管導(dǎo)通時,若忽略其飽和壓降,輸出電壓uo等于輸入電壓；當(dāng)晶體管截止時,若忽略晶體管的漏電流,輸出電壓為0。電路的主要工作波形如圖1.2。圖1.1Buck變換器電路圖1.2Buck變換器的主要工作波形1.2Buck變換器工作模態(tài)分析在分析Buck變換器之前,做出以下假設(shè)：①開關(guān)管Q、二極管D均為理想器件；②電感、電容均為理想元件；③電感電流連續(xù)；④當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時,可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。在一個開關(guān)周期中,變換器有2種開關(guān)模態(tài),其等效電路如圖1.3所示,各開關(guān)模態(tài)的工作情況描述如下：1開關(guān)模態(tài)0[t0~t1][t0~t1]對應(yīng)圖1.3〔a>。在t0時刻,開關(guān)管Q恰好開通,二極管D截止。此時：電感中的電流線性上升,式1-1可寫成：2開關(guān)模態(tài)1[t1~t2][t1~t2]對應(yīng)圖1.3〔b>。在t1時刻,開關(guān)管Q恰好關(guān)斷,二極管D導(dǎo)通。此時：電感中的電流線性下降,式1-3可寫成：式中Toff為開關(guān)管Q的關(guān)斷時間。在穩(wěn)態(tài)時,,聯(lián)解式1-2與式1-4可得：輸出電流平均值：圖1.3<a>[t0~t1]圖1.3<b>[t1~t2]圖1.3<a>[t1~t2]的主要工作波形圖1.3<b>[t1~t2]的主要工作波形1.3Buck變換器外特性在恒定占空比下,變化器的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系Uo=f<io>稱為變換器的外特性。式1-5表示了電感電流連續(xù)時變換器的外特性,輸出電壓與負(fù)載電流無關(guān)。當(dāng)負(fù)載電流減小時,可能出現(xiàn)電感電流斷續(xù)現(xiàn)象。圖1.4為電感電流斷續(xù)時電流波形圖。由式1-2與式1-4可知,當(dāng)輸入電壓和輸出電壓一定時,為常數(shù)。由式1-6可見,當(dāng)負(fù)載電流減少到時,,此時最小負(fù)載電流,即為電感臨界連續(xù)電流：由式1-2及式1-5得,帶入式1-7得：〔式1-8由上式可見,臨界連續(xù)電流與占空度的關(guān)系為二次函數(shù),當(dāng)D=1/2時,臨界連續(xù)電流達(dá)到最大值：〔式1-9當(dāng)電感電流斷續(xù)時,即在Toff結(jié)束前續(xù)流二極管的電流已下降到0,此時輸出的平均電流為：〔式1-10式中,為開關(guān)管關(guān)斷后電感電流持續(xù)的時間,并且：〔式1-11穩(wěn)態(tài)時,,由式1-11得：〔式1-12將式1-11及式1-12帶入式1-10得：〔式1-13即：〔式1-14圖1.4電感電流斷續(xù)時電流波形可見在電流斷續(xù)區(qū),輸出電壓與輸入電壓之比不僅與占空比有關(guān),而且與負(fù)載電流有關(guān)。第二節(jié)Buck變換器參數(shù)設(shè)計2.1Buck變換器性能指標(biāo)輸入電壓：Vin=30VDC；輸出性能：Vout=15VDC；Vout<p-p><=0.2v；Iout=10A；當(dāng)Iout=0.1A時,電感電流臨界連續(xù)。開關(guān)頻率：fs=200KHz。2.2Buck變換器主電路設(shè)計2.2.1占空比D根據(jù)Buck變換器的性能指標(biāo)要求及Buck變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比的變化范圍：D=Uo/Ui=15/30=0.5〔式2-12.2.2濾波電感Lf〔1濾波電感量Lf計算變換器輕載時,如果工作在電流連續(xù)區(qū),那么為了保持一定的輸出電壓,占空比大為減小,也就是說開關(guān)管導(dǎo)通時間很短。如果這個時間小于開關(guān)管的存儲時間與最小控制時間之和,變換器的輸出將出現(xiàn)失控或輸出紋波加大,因此希望變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。所以,以最小輸出電流Iomin作為電感臨界連續(xù)電流來設(shè)計電感,即。在Q關(guān)斷時,由式1-4得：=5x<1-0.5>/<0.2x200>=62.5uH?！彩?-2由Lf≥Lf<min>,取Lf=62.5uH。2.2.3濾波電容Cf〔1濾波電容量Cf計算在開關(guān)變換器中,濾波電容通常是根據(jù)輸出電壓的紋波要求來選取。該Buck變換器的輸出電壓紋波要求Vout<p-p><0.2v。若設(shè),即全部的電感電流變化量等于電容電流的變化量,電容在時間間隔內(nèi)充放電,電容充電的平均電流：〔式2-8電容峰峰值紋波電壓為：〔式2-9因此,得：〔式2-10取,D=0.5時,Cf的值最大。即：〔式2-11由Cf≥Cf<max>得,取Cf=186uF?！?濾波電容的耐壓值輸出濾波電容的耐壓值決定于輸出電壓的最大值,一般比輸出電壓的最大值高一些,但不必高太多,以降低成本。由于最大輸出電壓為15V,則電容的耐壓值為15V?！?濾波電容的選取由輸出濾波電容的電容量Cf=186uF,耐壓值為15V,留有一定的裕量,則選取186uF/15V電容。2.2.4開關(guān)管Q的選取該電路的輸入電壓是10V,則開關(guān)管耐壓值為10V,電流的最大值為,其開關(guān)頻率為,因此選用的MOSFET管,其額定值為。2.2.5續(xù)流二極管D的選取w續(xù)流二極管所承受的最大反向電壓為Vin=10V；在時,二極管電流的有效值為；續(xù)流二極管的工作頻率為f=200KHz?？紤]一定的裕量,選用肖特基二極管SR150-1,其電壓和電流額定值為：30V/10A。第三節(jié)Buck變換器閉環(huán)控制的參數(shù)設(shè)計3.1閉環(huán)控制原理為了使變換器的輸出電壓穩(wěn)定達(dá)到所要求的性能指標(biāo),需要對變化器進(jìn)行閉環(huán)控制。其工作原理為：輸出電壓采樣與電壓基準(zhǔn)送到誤差放大器,其輸出經(jīng)過一定的補(bǔ)償后與鋸齒波,即調(diào)制波進(jìn)行交截來控制占空比,從而控制開關(guān)管Q的通斷,控制輸出電壓的穩(wěn)定,同時還有具有一定的抑制輸入和負(fù)載擾動的能力。圖3.1為閉環(huán)控制電路的基本原理圖。圖3.1Buck電路閉環(huán)控制基本原理圖圖3.2PWM型DC/DC變換器的小信號模型為了實現(xiàn)閉環(huán)控制,為了進(jìn)一步研究參數(shù)對閉環(huán)控制的影響,建立PWM型DC/DC變換器的小信號模型,如圖3.2所示。Gc<s>為補(bǔ)償器的傳遞函數(shù),Gvd<s>為低通濾波器的傳遞函數(shù),Vm為載波信號的峰峰值。從小信號模型分析,其環(huán)路增益T<s>=H<s>Gc<s>Gvd<s>/Vm。要到到閉環(huán)控制的目的,其環(huán)路增益T<s>要滿足一定的條件：①環(huán)路增益在低頻段要有高增益,呈現(xiàn)積分特性,使系統(tǒng)成為誤差系統(tǒng)；②環(huán)路增益在中頻段要提供足夠的相角裕度,使系統(tǒng)穩(wěn)定；③環(huán)路增益在高頻段要具有-40dB/Dec的斜率,以抑制高頻干擾。3.2Buck變換器的閉環(huán)電路參數(shù)設(shè)計3.2.1Gvd<s>的傳遞函數(shù)分析在CCM情況下,占空比〔d到輸出電壓〔Vo的小信號傳遞函數(shù)為：〔式4-1其中,該Buck變換器的輸入電壓為30V,輸出電壓為15V,輸出電流為10A,Lf=625uH,Cf=186uF,取RL=5mΩ,Rc=25mΩ,用Mathcad畫出Gvd<s>的幅頻特性曲線及相頻特性曲線,如圖3.3〔a、圖3.3〔b所示。圖3.3〔aGvd<s>的幅頻特性曲線從圖4.3<a>可以求得,Gvd<s>的低頻增益為33.625dB,諧振頻率fr=2.52KHz,截止頻率fc=18.67KHz,并且斜率為-40dB/Dec,這是一個典型的低通濾波器。遇到濾波電容Cf的ESR產(chǎn)生的零點處頻率636.6KHz時,幅頻特性曲線斜率變?yōu)?20dB/Dec。圖3.3<b>Gvd<s>的相頻特性曲線從3.3〔b圖中可求得,其相角裕度為5.868度?？梢钥闯?相角裕度不足,要進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計。第四節(jié)Buck變換器閉環(huán)仿真4.1Buck變換器閉環(huán)仿真參數(shù)及指標(biāo)為了驗證閉環(huán)控制的工作原理及正確性,采用SABER軟件對電路做了仿真分析。仿真所用的參數(shù)為：輸入直流電壓：Vin=30VDC；輸出直流電壓：Vo=15V；開關(guān)頻率：fs=200KHz；輸出電流：Io=10A；輸出濾波電感：Lf=625uH；輸出濾波電容：Cf=186uF；開關(guān)管：MOSFET,MTD6N15T4G；續(xù)流二極管：肖特基,SR150-1；采樣分壓電阻：Rf1=19KΩ,Rf2=5KΩ；參考電壓：Vref=15V；補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：R1=16KΩ,R2=60KΩ,R3=70Ω,C1=1nF,C2=3.5nF,C3=7pF；載波信號：鋸齒波Vm=2.4V,T=5us。4.2Buck變換器閉環(huán)仿真電路原理圖圖4.1閉環(huán)仿真電路原理圖4.3Buck變換器的閉環(huán)仿真結(jié)果與分析仿真結(jié)果如下圖圖4.2輸入電壓與輸出電壓波形圖4.3輸出電壓的紋波圖4.4初始工作時的調(diào)節(jié)過程圖4.5穩(wěn)態(tài)工作波形圖4.6輸入電壓變化時輸出波形圖4.2為輸入電壓與輸出電壓波形。從圖,其調(diào)節(jié)時間為0.35ms,響應(yīng)速度很快。圖4.3為輸出電壓的紋波。由圖得,其紋波電壓峰峰值為9mv左右,滿足要求。圖4.4為初始工作時調(diào)節(jié)過程。圖4.5為穩(wěn)態(tài)工作時各波形。圖4.6為輸入電壓有變化時輸出電壓波形。可以看出,通過閉環(huán)控制,達(dá)到了很好的穩(wěn)壓效果。小結(jié)通過本次設(shè)計,讓我知道了理論結(jié)合實踐的重要性。在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題,但經(jīng)過一次又一次的思考,一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在,也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知,通過親自動手制作,使我們掌握的知識不再是紙上談兵。過而能改,善莫大焉。在課程設(shè)計過程中,我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤,不斷改正,不斷領(lǐng)悟,不斷獲取。最終的檢驗修改環(huán)節(jié),本身就是在踐行"過而能改,善莫大焉"的知行觀。這次課程設(shè)計終于順利完成了,在設(shè)計中遇到了很多問題,最后在不懈的努力下,終于迎刃而解。在今后社會的發(fā)展和學(xué)習(xí)實踐過程中,一定要不懈努力,不能遇到問題就想到要退縮,一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在,然后一一進(jìn)行解決,只有這樣,才能成功的做成想做的事,才能在今后的道路上劈荊斬棘,而不是知難而退,那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功,收獲喜悅,也永遠(yuǎn)不可能得到社會及他人對你的認(rèn)可！在設(shè)計過程中,總是遇到這樣或那樣的問題。有時發(fā)現(xiàn)一個問題的時候,需要做大量的工作,花大量的時間才能解決。自然而然,我的耐心便在其中建立起來了。為以后的工作積累了經(jīng)驗,增強(qiáng)了信心。通過這次綜合實踐,我更加看清了自己的不足之處,鞏