1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 電力電子 題目：BUCK開(kāi)關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究- 55V/ 22V課題名稱(chēng)BUCK開(kāi)關(guān)電源閉環(huán)控制的仿真研究-55V/22V課 題 內(nèi) 容 及 指 標(biāo) 要 求課題內(nèi)容：1、根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算濾波電感和濾波電容的參數(shù)值，完成開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)2、根據(jù)設(shè)計(jì)步驟和公式，設(shè)計(jì)雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，完成閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3、采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型庫(kù)搭建開(kāi)環(huán)閉環(huán)降壓式變換器的仿真模型4、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(shí)的輸出電壓和負(fù)

2、載電流的波形指標(biāo)要求：1、輸入直流電壓(VIN)：55V，輸出電壓(VO)：22V，輸出電壓紋波峰-峰值 Vpp50mV 2、負(fù)載電阻：R=2，電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%，開(kāi)關(guān)頻率(fs)=60kHz3、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(kāi)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*F4、采用壓控開(kāi)關(guān)S2實(shí)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(hào)幅值為1，周期為0.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S進(jìn)程安排第1天 閱讀課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，熟悉設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方法第2天 根據(jù)設(shè)計(jì)原理計(jì)算相關(guān)主要元件參數(shù)以及

3、完成BUCK開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第3天 熟悉MATLAB仿真軟件的使用，構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型第4天 仿真調(diào)試，記錄要求測(cè)量波形第5天 撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)起止日期2016年6月20日-2016年6月24日 2016年6月17日目錄第一章 電力電子設(shè)計(jì)目的及設(shè)計(jì)要求11.1電力電子設(shè)計(jì)目的11.2電力電子設(shè)計(jì)要求1第二章 電力電子設(shè)計(jì)過(guò)程22.1 BUCK變換器原理和開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用22.2 電容等效電阻Rc和濾波電感C的計(jì)算32.3 濾波電感L的計(jì)算32.4 閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)42.4.1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖42.4.2 Buck變換器原始回路傳遞函數(shù)的計(jì)算52.4.3補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)62.5 閉環(huán)系統(tǒng)仿真9

4、2.5.1 Buck變換器閉環(huán)仿真參數(shù)及指標(biāo)92.5.2 Buck變換器閉環(huán)仿真電路原理圖92.5.3 Buck變換器的閉環(huán)仿真結(jié)果與分析10第三章 總結(jié)11參考文12附錄13第一章 電力電子設(shè)計(jì)目的及設(shè)計(jì)要求1.1電力電子設(shè)計(jì)目的此次電力電子課程設(shè)計(jì)中，有四個(gè)目的：1. 了解開(kāi)、閉環(huán)降壓拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)及工作原理2. 掌握BUCK開(kāi)關(guān)電源電路中各元器件選擇和主要參數(shù)的計(jì)算3. 運(yùn)用Matlab仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的開(kāi)、閉環(huán)降壓電路進(jìn)行仿真4. 掌握降壓電路電壓控制雙極點(diǎn)、雙零點(diǎn)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)1.2電力電子設(shè)計(jì)要求本次電力電子課程設(shè)計(jì)要求中，有七個(gè)要求：1. 輸入直流電壓（Vin）：55V

5、2. 輸出電壓（Vo）：22V3. 輸出電壓紋波峰-峰值：Vpp55mV4. 負(fù)載電阻：R=25. 電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%，開(kāi)關(guān)頻率(fs)=60kHz6. 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(kāi)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*F7. 采用壓控開(kāi)關(guān)S2實(shí)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(hào)幅值為1，周期為0.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S16第二章 電力電子設(shè)計(jì)過(guò)程2.1 BUCK變換器原理和開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用此次課程設(shè)計(jì)主電路如下圖所示：Buck變換器主電路從電路可以看出，電感L和

6、電容C組成低通濾波器，此濾波器設(shè)計(jì)的原則是使Vin的直流分量可以通過(guò)，而抑制Vin的諧波分量通過(guò)；電容上輸出電壓 uo(t)就是 Vin 的直流分量再附加微小紋波uripple(t) 。電路工作頻率很高，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容充 放電引起的紋波uripple(t) 很小，它小于相對(duì)于電容上輸出的直流電壓Uo。 電容上電壓宏觀上可以看作恒定。 電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開(kāi)關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升 高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過(guò)程

7、的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)周期內(nèi)放 電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過(guò)程的延續(xù) 直至達(dá)到充放電平衡，最終維持電壓不變。這種過(guò)程是電容上電壓調(diào)整的過(guò)渡過(guò)程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達(dá)到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的一個(gè)普遍規(guī)律。 其中BUCK開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用值得說(shuō)一說(shuō)，它的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此，國(guó)外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)發(fā)新型智能化的元器件，特別是該變二次整流器的損耗，并在功率鐵氧體（Mn，Zn）材料上

8、加大創(chuàng)新，以提高性能。2.2 電容等效電阻Rc和濾波電感C的計(jì)算 上圖中Rc為電容的等效電阻（ESR），輸出紋波電壓只與電容的容量以及ESR有關(guān)，電解電容生產(chǎn)廠商很少給出ESR，但C與Rc的乘積趨于常數(shù)，約為50-80*F。本例中取為75*F。計(jì)算出Rc和C的值。（2-1）2.3 濾波電感L的計(jì)算 開(kāi)關(guān)管閉合與導(dǎo)通狀態(tài)的基爾霍夫電壓方程可以計(jì)算。S開(kāi)通：（） （2-2）S關(guān)斷： （2-3） 最終得到 （2 -4）2.4 閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.4.1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖整個(gè)Buck電路包括為補(bǔ)償器，為PWM控制器，為開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)和為反饋網(wǎng)絡(luò)。采樣電壓與參考電壓比較產(chǎn)生的偏差通過(guò)補(bǔ)償器校正后來(lái)調(diào)節(jié)PWm控

9、制器的波形的占空比，當(dāng)占空比發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓做成相應(yīng)調(diào)整來(lái)消除偏差。Gc(s):補(bǔ)償控制器 Gm(s):鋸齒波PWM控制器 Gvd(s):直流變換和控制對(duì)象 H(s):采樣網(wǎng)絡(luò)2.4.2 Buck變換器原始回路傳遞函數(shù)的計(jì)算采用小信號(hào)模型分析方法可得Buck變換器原始回路增益函數(shù)為： （2-5）其中為鋸齒波PWm環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，近似成比例環(huán)節(jié)，為鋸齒波幅值的倒數(shù)。為采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，Rx，Ry為輸出端反饋電壓的分壓電阻，為開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。將，帶入傳遞函數(shù)表達(dá)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繪制伯德圖，得到相角裕度28.4度。 由于相角裕度過(guò)低，因此需要添加有源超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)校正。之后才能得到正確適當(dāng)?shù)南嘟窃６龋〖由涎a(bǔ)償器是必不可少的！ 下圖為補(bǔ)償前伯德圖。2.4.3補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)補(bǔ)償器補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：（2-7）有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)零點(diǎn)、三個(gè)極點(diǎn)。零點(diǎn)為：， （2-8）極點(diǎn)為：為原點(diǎn)， （2-9）頻率與之間的增益可近似為：在頻率與之間的增益則可近似為：考慮達(dá)到抑制輸出開(kāi)關(guān)紋路波的目的，增益交接頻率取：開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)頻率為： （2-10）將兩個(gè)零點(diǎn)的頻率設(shè)計(jì)為開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)兩個(gè)相似極點(diǎn)頻率

11、的，則將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)極點(diǎn)設(shè)為以減小輸出的高頻開(kāi)關(guān)紋波。先將取值，根據(jù)公式可推出： （2-11） 計(jì)算過(guò)程通過(guò)matlab再根據(jù)閉環(huán)傳遞函數(shù)，繪制伯德圖，得到相角裕度。補(bǔ)償器伯德圖為：加入補(bǔ)償器之后：2.5 閉環(huán)系統(tǒng)仿真2.5.1 Buck變換器閉環(huán)仿真參數(shù)及指標(biāo)所用的參數(shù)指標(biāo)為：1. 輸入直流電壓（Vin）：55V2.輸出電壓（Vo）：22V3.輸出電壓紋波峰-峰值：Vpp55mV4.負(fù)載電阻：R=25.電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%，開(kāi)關(guān)頻率(fs)=60kHz6.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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降VON=0.5V,濾波電容C與電解電

12、容RC的乘積為75*F7.采用壓控開(kāi)關(guān)S2實(shí)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(hào)幅值為1，周期為0.012S，占空比為2%，相位延遲0.006S2.5.2 Buck變換器閉環(huán)仿真電路原理圖閉環(huán)仿真原理圖2.5.3 Buck變換器的閉環(huán)仿真結(jié)果與分析不含干擾負(fù)載含干擾負(fù)載 經(jīng)過(guò)調(diào)試，設(shè)置傳輸延遲(Transport Delay)的時(shí)間延遲(Time Delay)為0.0002，積分(Integrator)的飽和度上限(Upper saturation limit)為1.602，下限為1.02，絕對(duì)誤差(Absolute tolerance)為0.000001，PWM的載波為60

13、kHz，幅值為22V的鋸齒波。第三章 總結(jié)經(jīng)過(guò)一個(gè)星期的不停書(shū)寫(xiě)，計(jì)算，程序繪圖終于搞定了此次的電力電子課程設(shè)計(jì)，雖然坐在電腦前不停地弄來(lái)弄去很累，但是真的時(shí)間過(guò)的很快，很充實(shí)，一個(gè)星期不知不覺(jué)就過(guò)去了，在之間，我們對(duì)BUCK變換器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括電路分析及原理解釋、主電路參數(shù)設(shè)計(jì)、閉環(huán)參數(shù)的抑制干擾和BUCK電路的閉環(huán)仿真。考慮到實(shí)際應(yīng)用和軟件修改的方便，設(shè)計(jì)中補(bǔ)償電路采用的是PID控制策略。在PID控制中，比例項(xiàng)用于減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。另外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，選用具有三個(gè)極點(diǎn)、雙零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)挠性闯?滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。增設(shè)的兩個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償由于Buck變換器的極點(diǎn)

14、造成的相位滯后，其中一個(gè)極點(diǎn)可以抵消變換器的ESR零點(diǎn)，另一個(gè)極點(diǎn)設(shè)置在高頻段，可以抑制高頻噪聲。這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)于我們電力電子與自動(dòng)控制課程的檢測(cè)，在理論中的基礎(chǔ)上把它運(yùn)動(dòng)到實(shí)際生活中。查閱資料，與同組同學(xué)交流的過(guò)程也是一種學(xué)習(xí)。也熟練熟悉并運(yùn)用MATLAb仿真軟件的使用，通過(guò)它來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，也讓我真正做到了學(xué)以致用。最后，感謝老師在這次課程設(shè)計(jì)中對(duì)我們的指導(dǎo)和糾正。參考文1. 陸治國(guó)編著，電源的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，科學(xué)出版社，TM91/222. 李傳琦編著，電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，電子工業(yè)出版社，TM-33/103. 杜飛編著，電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATlab仿真，中國(guó)電力

15、出版社，TM769/54. 黃忠霖編著，電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐，國(guó)防工業(yè)出版社，TM1/3345. 徐德洪編著，電力電子系統(tǒng)建模及控制，機(jī)械工業(yè)出版社，TM1/3066. 張衛(wèi)平編著，開(kāi)關(guān)變換器的建模與控制，中國(guó)電力出版社，TN624/67. Marty BROWN編著，開(kāi)關(guān)電源附錄計(jì)算傳遞函數(shù)M文件程序：clc;clear;Vg=55;L=2.021*10(-4);C=1.65*10(-3);fs=60*103;R=2;Vm=17.6;H=0.8;Rc=0.045;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*103