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1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书 课程设计名称： 电力电子 题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 55V/ 22V课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-55V/22V课 题 内 容 及 指 标 要 求课题内容：1、根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，完成开关电路的设计2、根据设计步骤和公式，设计双极点-双零点补偿网络，完成闭环系统的设计3、采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换器的仿真模型4、观察并记录系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负
2、载电流的波形指标要求：1、输入直流电压(VIN)：55V，输出电压(VO)：22V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=2，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=60kHz3、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为75*F4、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S进程安排第1天 阅读课程设计指导书，熟悉设计要求和设计方法第2天 根据设计原理计算相关主要元件参数以及
3、完成BUCK开关电源系统的设计第3天 熟悉MATLAB仿真软件的使用，构建系统仿真模型第4天 仿真调试，记录要求测量波形第5天 撰写课程设计说明书起止日期2016年6月20日-2016年6月24日 2016年6月17日目录第一章 电力电子设计目的及设计要求11.1电力电子设计目的11.2电力电子设计要求1第二章 电力电子设计过程22.1 BUCK变换器原理和开关电源应用22.2 电容等效电阻Rc和滤波电感C的计算32.3 滤波电感L的计算32.4 闭环系统的设计42.4.1 闭环系统结构图42.4.2 Buck变换器原始回路传递函数的计算52.4.3补偿器的传递函数设计62.5 闭环系统仿真9
4、2.5.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标92.5.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图92.5.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析10第三章 总结11参考文12附录13第一章 电力电子设计目的及设计要求1.1电力电子设计目的此次电力电子课程设计中，有四个目的：1. 了解开、闭环降压拓扑的基本结构及工作原理2. 掌握BUCK开关电源电路中各元器件选择和主要参数的计算3. 运用Matlab仿真软件对所设计的开、闭环降压电路进行仿真4. 掌握降压电路电压控制双极点、双零点补偿环节的设计与仿真技术1.2电力电子设计要求本次电力电子课程设计要求中，有七个要求：1. 输入直流电压（Vin）：55V
5、2. 输出电压（Vo）：22V3. 输出电压纹波峰-峰值：Vpp55mV4. 负载电阻：R=25. 电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=60kHz6. BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为75*F7. 采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S15第二章 电力电子设计过程2.1 BUCK变换器原理和开关电源应用此次课程设计主电路如下图所示：Buck变换器主电路从电路可以看出，电感L和
6、电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使Vin的直流分量可以通过，而抑制Vin的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 Vin 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，它小于相对于电容上输出的直流电压Uo。 电容上电压宏观上可以看作恒定。 电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升 高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程
7、的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放 电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续 直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。 其中BUCK开关电源的应用值得说一说，它的发展方向是高频、高可靠、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此，国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型智能化的元器件，特别是该变二次整流器的损耗，并在功率铁氧体（Mn，Zn）材料上
8、加大创新，以提高性能。2.2 电容等效电阻Rc和滤波电感C的计算 上图中Rc为电容的等效电阻（ESR），输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与Rc的乘积趋于常数，约为50-80*F。本例中取为75*F。计算出Rc和C的值。（2-1）2.3 滤波电感L的计算 开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程可以计算。S开通：（） （2-2）S关断： （2-3） 最终得到 （2 -4）2.4 闭环系统的设计2.4.1 闭环系统结构图整个Buck电路包括为补偿器，为PWM控制器，为开环传递函数和为反馈网络。采样电压与参考电压比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWm控
9、制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压做成相应调整来消除偏差。Gc(s):补偿控制器 Gm(s):锯齿波PWM控制器 Gvd(s):直流变换和控制对象 H(s):采样网络2.4.2 Buck变换器原始回路传递函数的计算采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数为： （2-5）其中为锯齿波PWm环节传递函数，近似成比例环节，为锯齿波幅值的倒数。为采样网络传递函数，Rx，Ry为输出端反馈电压的分压电阻，为开环传递函数。将，带入传递函数表达式，得到： （2-6） 所用matlab程序：num=0.0001875，2.5 den=3.33465*10-7，1.0105*10-4
10、,1 G0 =tf(num,den) Margin(G0)用matlab绘制伯德图，得到相角裕度28.4度。 由于相角裕度过低，因此需要添加有源超前滞后补偿网络校正。之后才能得到正确适当的相角裕度！加上补偿器是必不可少的！ 下图为补偿前伯德图。2.4.3补偿器的传递函数设计补偿器补偿器的传递函数为：（2-7）有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。零点为：， （2-8）极点为：为原点， （2-9）频率与之间的增益可近似为：在频率与之间的增益则可近似为：考虑达到抑制输出开关纹路波的目的，增益交接频率取：开环传递函数的极点频率为： （2-10）将两个零点的频率设计为开环传递函数两个相似极点频率
11、的，则将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。先将取值，根据公式可推出： （2-11） 计算过程通过matlab再根据闭环传递函数，绘制伯德图，得到相角裕度。补偿器伯德图为：加入补偿器之后：2.5 闭环系统仿真2.5.1 Buck变换器闭环仿真参数及指标所用的参数指标为：1. 输入直流电压（Vin）：55V2.输出电压（Vo）：22V3.输出电压纹波峰-峰值：Vpp55mV4.负载电阻：R=25.电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=60kHz6.BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C与电解电
12、容RC的乘积为75*F7.采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S2.5.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图闭环仿真原理图2.5.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析不含干扰负载含干扰负载 经过调试，设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.0002，积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为1.602，下限为1.02，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为60
13、kHz，幅值为22V的锯齿波。第三章 总结经过一个星期的不停书写，计算，程序绘图终于搞定了此次的电力电子课程设计，虽然坐在电脑前不停地弄来弄去很累，但是真的时间过的很快，很充实，一个星期不知不觉就过去了，在之间，我们对BUCK变换器进行了详细的介绍，包括电路分析及原理解释、主电路参数设计、闭环参数的抑制干扰和BUCK电路的闭环仿真。考虑到实际应用和软件修改的方便，设计中补偿电路采用的是PID控制策略。在PID控制中，比例项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。另外，为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，选用具有三个极点、双零点补偿的有源超前-滞后补偿网络。增设的两个零点补偿由于Buck变换器的极点
14、造成的相位滞后，其中一个极点可以抵消变换器的ESR零点，另一个极点设置在高频段，可以抑制高频噪声。这次课程设计是对于我们电力电子与自动控制课程的检测，在理论中的基础上把它运动到实际生活中。查阅资料，与同组同学交流的过程也是一种学习。也熟练熟悉并运用MATLAb仿真软件的使用，通过它来检测系统的稳定性和抗干扰能力，也让我真正做到了学以致用。最后，感谢老师在这次课程设计中对我们的指导和纠正。参考文1. 陆治国编著，电源的计算机仿真技术，科学出版社，TM91/222. 李传琦编著，电力电子技术计算机仿真实验，电子工业出版社，TM-33/103. 杜飞编著，电力电子应用技术的MATlab仿真，中国电力出版社，TM769/54. 黄忠霖编著，电力电子技术的MATLAB实践，国
