《电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--45V10V.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究--45V10V.docx（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电力电子技术题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 45V/10V课题名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-45V/10V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载电
2、流的波形指标要求：1、输入直流电压(VIN)：45V，输出电压(VO)：10V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV 2、负载电阻：R=1，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=100kHz3、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完
3、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日目录一、 课题背景11.1课题意义11.2介绍BUCK电路的工作原理11.2.1 BUCK电路的主电路图11.2.2工作原理11.2.3基本的数量关系11.3 BUCK开关电源的应用2二、 课程设计的要求3三、 课题设计方案43.1系统的组成43.1.1 闭环系统43.1.2 各部分的功能43.2主电路部分的设计43.2.1、滤波电感的设计43.2.2 电容等效电阻的设计53.3
4、闭环系统的设计53.3.1 开环原始传递函数53.3.2用matlab计算相角裕度63.4 双极点双零点补偿控制器的设计63.4.1 有源超前-滞后补偿网络63.4.2 补偿器的传递函数73.5根据传递函数绘制伯德图和相角裕量83.5.1 程序93.5.3 伯德图和相角裕量103.6闭环系统的仿真113.6.1 传递函数113.6.2 仿真结果12心得14参考文献15附录16一、 课题背景1.1课题意义 通过本电路的的设计和调试，让我对matlab软件的有了更多的理解和应用，对以前不了解的一些功能，通过网上查找资料以及钻研软件，有了一定的了解。 BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压
5、平均值Uo总是小于输入电压Ui。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。让我们对电路也有了一定的理解和认识，对各种参数的计算，每个元件的有了了解。1.2介绍BUCK电路的工作原理1.2.1 BUCK电路的主电路图 图1-1 主电路图1.2.2工作原理 当t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。当 t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。1.2.3基本的数量关系输出电压值为 （1-1）负载电流值为： （1-2）1.3 BUCK开关电源的应
6、用开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。开关电源驱动IC （4OOO-336-5I8）SM7055应用于BUCK、BUCK-BOOST系统方案，支持12V和18V输出电压，很方便的应用于小家电产品领域。并提供了过温、过流、过压、欠压等完善的保护功能，保证了系统的可靠性。SM7075-12是采用电流模式PWM控制方式的功率开关芯片,集成高压启动电路和高压功率管，为低成本开关电源系
7、统提供高性价比的解决方案。芯片应用于BUCK系统方案，支持12V输出电压，很方便的应用于小家电产品领域。并提供了过温、过流、过压、欠压等完善的保护功能，保证了系统的可靠性。二、 课程设计的要求(1) 输入直流电压(VIN)：45V；输出电压(VO)：10V；输出电压纹波峰-峰值 Vpp50mV(2) 负载电阻：R=1；电感电流脉动：输出电流的10%；开关频率(fs)：100kHz(3) 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*F(4) 采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负
8、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。三、 课题设计方案3.1系统的组成3.1.1 闭环系统闭环系统的框图如下图3-1所示：直流变换控制对象采样网络PWM控制器补偿控制器输入电压45V Gvd (s)H(s)-+ VREF参考电压Gc(s)Gm(s)图3-1 闭环系统的框图3.1.2 各部分的功能1、 直流变换：将输入的交流电转换为直流电。2、 控制对象：控制实验的对象。3、 采样网络:采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差。4、 PWM控制器：控制PWM的波形。5、 补偿控制器：校正后来调节PWM控制器的波形的占空比。3.2主电路部分的设计3
9、.2.1、滤波电感的设计开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程如式(3-1)、(3-2)所示： （3-1） （3-2） =0.1ms (3-3)由上得： (3-4)已知输入直流电压VIN=45V,输出电压Vo=10V,电阻压降VL=0.1V,开关管导通压降VON=0.5V,二极管通态压降VD=0.5V,电流脉动峰值为1A。所以可以算出TON=2.36S，L=81.04H。3.2.2 电容等效电阻的设计输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关。 (3-5)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5080*F。本例中取为75*F。(3-6)3.3 闭环系统的设计3.3.1 开
10、环原始传递函数 将Vm=2V,H(S)=0.2,VIN=45V,C=1.5mF,Rc=0.05欧，L=81.04uH，R=1欧代入传函表达式： （3-7）得到： （3-8）3.3.2用matlab计算相角裕度所用matlab程序：num=0.0003375,4.5den=1.216*10-7,8.104*10-5,1G0 =tf(num,den)margin(G0)图3-2由上图可知：用matlab绘制波德图，如图3-2所示，得到相角裕度34.4度。由于相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。3.4 双极点双零点补偿控制器的设计3.4.1 有源超前-滞后补偿网络有源超前-滞后补偿网络如
11、图3-3所示图3-3图3-33.4.2 补偿器的传递函数 （3-9）有源超前滞后补偿网络有两个零点和三个极点。零点公式为： = 228.2416HZ （3-10）=228.2416HZ （3-11） 极点为： 为原点， =100000HZ （3-12） =100000HZ （3-12）频率与之间的增益可近似为:=0.5134 （3-13） 在频率与之间的增益则可近似为：= 224.9291 （3-14）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） （3-15）开环传函的极点频率为： （3-16）将两个零点的频率设计为开环传函两个相近极点频率的，则： （3-17）将补偿网络两
12、个极点设为以减小输出的高频开关纹波。3.5根据传递函数绘制伯德图和相角裕量综上所得以下为本电路各元件的参数：取R2=10K。已知VIN=45V; L=8.104*10(-5)H; C=1.5*10(-3)F; fs=100*103HZ; R=1; Vm=2V; H=0.2; Rc=0.05;3.5.1 程序clc;clear;Vg=45;L=8.104*10(-5);C=1.5*10(-3);fs=100*103;R=1;Vm=2;H=0.2;Rc=0.05;G0=tf(C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm,L*C,L/R,1)figure(1);margin(G0);fp1=1/(2*p
13、i*sqrt(L*C)fg=(1/5)*fs;fz1=(1/2)*fp1fz2=(1/2)*fp1fp2=fsfp3=fsmarg_G0,phase_G0=bode(G0,fg*2*pi);marg_G=1/marg_G0;AV1=fz2/fg*marg_GAV2=fp2/fg*marg_GR2=10*103;R3=R2/AV2C1=1/(2*pi*fz1*R2)C3=1/(2*pi*fp2*R3)C2=1/(2*pi*(fp3-fz1)*R2)R1=1/(2*pi*fz2*C3)-R3num=conv(C1*R2,1,(R1+R3)*C3,1);den1=conv(C1+C2)*R1,0,R3*C3,1);den=conv(den1,R2*C1*C2/(C1+C2),1);Gc=tf(num,den)figure(2);bode(Gc);G=series(Gc,G0)figure(3);margin(G)3.5.3 伯德图
