BUCK開關(guān)電源的應(yīng)用

第頁目錄TOC\o"1-3"\h\u第1章課題背景 11.1BUCK電路的工作原理 11.2BUCK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主電路局部的設(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 73.6.3參加補償器后系統(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1.1BUCK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。1.2BUCK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)計要求根據(jù)設(shè)計要求計算濾波電感和濾波電容的參數(shù)值，完成開關(guān)電路的設(shè)計根據(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3-1Buck變換器主電路圖1、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Vpp≤50mV，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)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。采樣電壓與參考電壓Vref比擬產(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主電路局部的設(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?！?〕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)構(gòu)造框圖圖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)有兩個零點、三個極點?！?1〕〔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那么可近似為：〔22〕考慮到達抑制輸出開關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取〔為開關(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，那么(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)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；=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圖3-7參加補償器后系統(tǒng)的伯德圖由圖可知，在參加補償器之后的=152deg,它遠遠大于未補償之前的=25.6deg，相角裕度增加，到達設(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，如power,Mosfet,L,Relay,Rc,C,PulseGenerator,IdealSwitch,R,VoltageMeasurement,Scope,Transportdelay,gelding,TransferFcn,Saturation,3.7.2仿真電路參數(shù)的設(shè)置①輸入的直流電壓為18V。②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。③設(shè)置仿真時間為，采用ode23s算法，可變步長。④設(shè)置傳輸延遲(TransportDelay)的時間延遲(TimeDelay)為，積分(Integrator)的飽和度上限(Uppersaturationlimit)為，下限為，絕對誤差(Absolutetolerance)為，PWM的載波為80kHz，幅值為的鋸齒波。3.7.3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)計是在韓霞教師的親切關(guān)心與細心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到最終的完成，韓教師始終都給予了細心的指導(dǎo)和不懈的支持，讓我們獲益菲淺，并且將終生受用無窮。在此對錢教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1MATLAB所用程序：clc;clear;Vg=32;L=*10^(-4);C=9*10^(-4);fs=80*10^3;R=3;Vm=;H=0.8;Rc=0.083;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*10^3;R3=R2/AV2C1=1/(2*pi*fz1*R2)C3=1/(2