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1、.电力电子技术课程设计题 目 Buck变换器设计学 院 计算机与信息科学学院专 业 自动化年 级 2012级学 号 222012321042094姓 名 继伟同 组 人付镜锋指 导 教 师 何强 黄巧莉成 绩 2014年 07 月 26 日-.1 引言12 PWM控制器设计12.1 PWM控制的基本原理12.2 控制电路设计33 buck变换器主电路设计53.1 主电路分析73.2 反馈回路设计94 buck变换器控制器设计104.1 系统分析104.2控制器设计124.3控制器实现144.4 缓冲电路设计155 问题和总结17参考文献:18附录:18-.Buck变换器设计1 引言直流-直流变
2、流器DC-DC Converter的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路为称斩波电路DC Chopper,它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,一般是指直接电变为另一直流电,这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节,在交流环节常采用变压器实现输入输出间的隔离,因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。降压斩波器的原理是:在一个控制周期中,让V导通一段时间ton,由电源E 向L、R、M供电,在此期间,uoE。然后使V关断一段时间,此时电感L通过二极管VD 向R和
3、M 供电,uo0。一个周期的平均电压。输出电压小于电源电压,起到降压的作用2。2 PWM控制器设计本组设计要求:Buck DC/DC变换器。电源电压Vs=12-18V,开关频率38kHz。要求输出电压Vo=9V;电感电流不断流,需要完成完成闭环设计(实现补偿网络)和MOSFET的。2.1 PWM控制的基本原理1PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形含形状和幅值。在采样控制理论中有一条重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同,冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为
4、面积等效原理。图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份,就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于/N,但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线,各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积冲量相等,就得到PWM波形。各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理,PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。可见,
5、所得到的PWM 波形和期望得到的正弦波等效2 。图3 用PWM波形代替正弦波2.2 TL494的时序当锯齿波电平死区时间控制电平时,死区时间比较器输出高电平。当锯齿波电平反馈/PWM输入电平时,PWM比较器输出高电平。死区时间控制电压和反馈/PWM输入电压,二者中较高的电平控制触发器时钟宽度。当输出控制电压=H时, Q和时钟信号均为0时,Q1基极获高电平导通, /Q和时钟信号均为0时, Q2基极获高电平导通,两管轮流导通,称为推挽工作方式。当输出控制电压=L时,时钟信号为0时, Q1和Q2基极获高电平导通,两管同时导通,称为单端工作方式。图4 TL494时序图2.3 控制电路设计PWM控制芯片
6、TL494是频率固定的PWM控制器,主要为开关电源控制器而设计。其具有:【2】完整的脉冲宽度调制控制电路 片上的振荡器可以工作在主动模式和被动模式 片上集成误差放大器 片上集成 5.0V 基准电压 可调整的死区时间控制 输出晶体管输出和灌入电流可达 500mA 输出控制可用于推挽式和单端式 低压锁定控制电路使用PWM控制芯片TL494来产生开关控制信号。其原理图如下:图5 PWM控制原理图和工作波形图6 TL494部框图图7 PWM控制电路接线图表1 PWM控制电路器件清单序号名称数量备注116脚IC插座12CT电容16823电位器24死区电阻15.1k512号引脚电容1104612脚与7脚去
7、耦电容1电解电容用以上器件,将PWM控制电路焊接完毕之后,调试过程中发现,不管如何调节电位器RT,开关频率始终在几百Hz,距离要求的38kHz相差甚远。便怀疑是焊接过程出现了问题,用万用表检查各个触点,发现与6号脚连接的电位器的中间端应该接地,却接在了电源线上面,修正了这一错误之后。电路运行正常。调试电路,得到TL494芯片的5号脚出现锯齿波,9和10脚出现方波。由本组实验要求,开关频率为38kHz,调节6号脚的电位器直至开关频率为38kHz。图8 方波3 buck变换器主电路设计3.1 主电路分析图9 主电路开环控制图 (1)(2)将最小电流值取0.5A,电源电压取18V。通过12两公式求得
8、Lmin=164uH又根据领的磁环尺寸得知,其:AL=93(3)Nmin=29计算得知,最少需缠绕漆包线29圈,实际缠绕过程中,为了使电感尽可能地大一些,提高实验的成功率,缠绕了59圈。表2 电感参数表磁环型号ALNN实际理论电感实测电感KT106-269329 59164uH332.5uH表3 开环控制参数表名称 数值型号CT6.67nF682RT 4.76kEOS T二极管VDSR2100MOSFETIRF530N驱动电阻Rg305W30J滤波电容1977uFLXZ去耦电容Bb45uFS7C用以上元器件将开环控制电路焊接完毕之后,经过调试未发现问题,顺利测出了开环的各项数据,通过调节电位器
9、W1,改变占空比,测得开环情况下,各数据如下表所示:表4 开环测试表输入电压 占空比 3号脚电压v 理论输出电压(v) 实际输出电压v18v03.500.00.0718v0.053.380.90.5318v0.13.291.81.1118v0.32.845.43.7118v0.52.159.06.6618v0.71.6312.69.5718v0.81.4114.410.7618v最大0.715.611.923.2 反馈回路设计系统框图如下:图10 Buck变换器系统框图主电路图如下:图11 主电路图整个Buck电路包括Gcs补偿器,GmsPWM控制器,Gvds开环传递函数和Hs反馈回路。给定量
10、Rs(既TL494芯片2号脚电位器所对应电压)与反馈量Hs(既与比较产生的偏差通过bode图法得到控制器Gcs校正后来调节PWM控制器的波形的占空比,当占空比发生变化时,输出电压即作出相应的调整,来消除偏差。降压变压器闭环连接电路图为:图12 反馈回路和补偿器反馈回路既Hs取0.164,既为0.164。取Ry为10K欧姆,Rx为51K欧姆。一端接地。4 buck变换器控制器设计4.1系统分析把TL494芯片占空比调到最大调节2号脚电位器,当占空比恰好变小那刻5号脚锯齿波所对应的峰值电压即为实验所需数据Vm的值,实验测得为3V。开环下,传递函数Gvd为:(4)带入数据得:(5)原始回路增益函数为
11、: (6)带入数据得: (7)用MATLAB得开环下系统的伯德图为:图12 开环传递函数的伯德图由图很容易知道,此系统不稳定,需要加入控制器,使系统稳定。4.2控制器设计补偿器的传递函数为: (8)补偿网络有两个零点、三个极点。零点为: (9) (10)极点为:为原点, (11) (12)频率与之间的增益可近似为: (13)在频率与之间的增益那么可近似为: (15)考虑达到抑制输出开关纹波的目的,增益交接频率取 为开关频率开环传函的极点频率为,将两个零点的频率设计为开环传函两个相近极点频率的,那么: (16)将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。 (17) (18)根据条件使用MAT
12、LAB程序源代码见附录算得校正器Gcs各元件的值如下:取 R2=6*104欧姆 H(S)=0.164算得:R1=6000欧姆 R3=25欧姆 C1=442e-09FC2=1e-9FC3=442e-9F补偿器伯德图为:图13补偿器的伯德图加入补偿器后:图12 加入补偿器后系统的伯德图相角裕度到达91.8度,幅值裕度到达30分贝,符合设计要求。所用MATLAB程序见附录4.3控制器实现电位器W1的中间引脚(电位器的2号引脚)原来接TL494 3号脚,现在变为接与2号脚相连的R1的输入端。按照计算所得的数据连接电路图,调试运行良好。在数据测试的过程中,不但测试了输出为9v,还测试了输出为8v,以及纹波电压等数据,详细见下表:表5 闭环测试表电源电压v 设定值v 理论输出v 实际输出v 误差 121.4798.18 9.1% 131.4798.446.2%141.47 98.485.7%151.47 98.505.6%161.47 98.51 5.4%171.47 98.51 5.4%181.47 98.52 5.3%191.47 98.54 5.1%141.17 87.50 6.2%151.17 87.67 5.4%161.17 87.66 5.5%171.17