BUCK開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用

1、目 錄第1章 課題背景11.1 buck電路的工作原理11.2 buck開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用1第2章 課題設(shè)計(jì)要求1第3章 課題設(shè)計(jì)方案13.1 參數(shù)13.2 系統(tǒng)的組成23.3 主電路部分的設(shè)計(jì)23.3.1 濾波電感的計(jì)算33.3.2 濾波電容的計(jì)算33.4 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的分析33.4.1 開(kāi)環(huán)原始傳遞函數(shù)的計(jì)算33.4.2 開(kāi)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(jì)43.6 雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)53.6.1 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路的原理分析53.6.2 補(bǔ)償器伯德圖73.6.3 加入補(bǔ)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

2、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(xiàn)11第6章 附錄11第1章 課題背景1.1 buck電路的工作原理buck開(kāi)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。1.2 buck開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)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(tīng)產(chǎn)品，安防監(jiān)控，led燈袋，電腦機(jī)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(duì)它研究的意義。第2章 課題設(shè)計(jì)要求1. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算濾波電感

3、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)載電流的波形第3章 課題設(shè)計(jì)方案3.1 參數(shù)圖3-1 buck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vpp50mv ，電感電流脈動(dòng)：輸出電流的10%。5、開(kāi)關(guān)頻率(fs)：80khz。6、buck主電路二極管的通

4、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。7、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。當(dāng)s導(dǎo)通時(shí)有： （） （1）當(dāng)s關(guān)斷時(shí)有： （2）t與的關(guān)系： （3）3.2 系統(tǒng)的組成整個(gè)buck電路包括gc(s)為補(bǔ)償器，gm（s）pwm控制器，gvd（s）開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)和h(s) 反饋網(wǎng)絡(luò)。采樣電壓與參考電壓vref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uo做成相應(yīng)調(diào)整來(lái)

5、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 主電路部分的設(shè)計(jì)3.3.1 濾波電感的計(jì)算由公式，其中 （4），其中，r=3 （5） （6）設(shè)計(jì)要求中，求得，。3.3.2 濾波電容的計(jì)算由前面的公式（1），（2），（3）及一些參數(shù)，。算得：，。3.4 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的分析3.4.1 開(kāi)環(huán)原始傳遞函數(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)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(jí)的，這樣整個(gè)電路的誤差會(huì)小。此次設(shè)計(jì)，它們的單位是。 （9）將數(shù)據(jù)代入公式（7），得 =3.4.2 開(kāi)環(huán)原始傳遞函數(shù)的伯德圖和相角裕

6、量的分析圖將的表達(dá)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(guò)低。需要添加有源超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)校正。 圖3-3 開(kāi)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(jì) 圖3-4 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hào)，續(xù)流二極管，參考電壓以及一些傳遞函數(shù)。3.6 雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)3.6.1 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路的原理分析圖3-5 有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電氣圖圖3-5中的有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路由一些電阻和電容的串并聯(lián)組成，通過(guò)數(shù)電與模電的知識(shí)可以得到它的傳遞函數(shù)表達(dá)式： （10）有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)零

7、點(diǎn)、三個(gè)極點(diǎn)。 （11） （12） （13） （14） （15） （16）零點(diǎn)為： （17） （18）極點(diǎn)為：為原點(diǎn) （19） （20）頻率與之間的增益可近似為: （21）在頻率與之間的增益則可近似為： （22）考慮達(dá)到抑制輸出開(kāi)關(guān)紋波的目的，增益交接頻率取（為開(kāi)關(guān)頻率）：khz (23)開(kāi)環(huán)傳函的極點(diǎn)頻率為： (24)將兩個(gè)零點(diǎn)的頻率設(shè)計(jì)為開(kāi)環(huán)傳函兩個(gè)相近極點(diǎn)頻率的，則 (25)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。 (26) (27)根據(jù)已知條件使用matlab程序算得校正器gc（s）各元件的值如下（程序見(jiàn)附錄），取r2=10000歐姆：=1.4259；=548.0150；=1

8、8.2477；=7.6462e-008；=1.0902e-007；=1.9894e-010；=7.0133e+003。通過(guò)公式（10）得出：=3.6.2 補(bǔ)償器伯德圖 圖3-6 補(bǔ)償器伯德圖 3.6.3 加入補(bǔ)償器后系統(tǒng)伯德圖分析圖3-7 加入補(bǔ)償器后系統(tǒng)的伯德圖由圖可知，在加入補(bǔ)償器之后的=152deg,它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未補(bǔ)償之前的=25.6deg，相角裕度增加，達(dá)到設(shè)計(jì)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(diǎn)擊simulink,新建一個(gè).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(jì)所需的模塊大多數(shù)都在simpowersystem中，

9、如power,mosfet,l,relay,rc,c,pulse generator,ideal switch,r,voltage measurement,scope,transport delay,gelding,transfer fcn,saturation,3.7.2 仿真電路參數(shù)的設(shè)置輸入的直流電壓為18v。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。設(shè)置仿真時(shí)間為0.04s，采用ode23s算法，可變步長(zhǎng)。設(shè)置傳輸延遲(transport delay)的時(shí)間延遲(time delay)為0.

10、006，積分(integrator)的飽和度上限(upper saturation limit)為0.8349，下限為0.832，絕對(duì)誤差(absolute tolerance)為0.000001，pwm的載波為80khz，幅值為14.4v的鋸齒波。3.7.3 仿真結(jié)果圖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(guò)這次設(shè)計(jì)，更加深入的理解和掌握了這方面的知識(shí)，對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)也更加深入，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，自己也學(xué)到了許多新的知識(shí)，有很多感悟和體驗(yàn)心得。本課程設(shè)計(jì)是在韓霞老師的親切關(guān)懷與細(xì)心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到最終的完成，韓老師始終都給予了細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，讓我們獲益

11、菲淺，并且將終生受用無(wú)窮。在此對(duì)錢老師表示最衷心的感謝！ 第5章 參考文獻(xiàn)1 電力電子技術(shù) 王兆安 機(jī)械工業(yè)出版社 2 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)教程 張占松 機(jī)械工業(yè)出版社3 電源的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 陸治國(guó)科學(xué)出版社4 電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)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(guó)電力出版社6 電力電子技術(shù)的matlab實(shí)踐黃忠霖國(guó)防工業(yè)出版社7 電力電子系統(tǒng)建模及控制徐德洪機(jī)械工業(yè)出版社第6章 附錄附錄1 matlab所用程序：clc;clear;vg=32;l=1.624*10(-4);c=9*10(-4);fs=80*103;r=3;vm=14.4;h=0.8;rc=0.

12、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*103;r3=r2/av2c1=1/(2*pi*fz1*r2)c3=1/(2*pi*fp2*r3)c2=1/(2*pi*fp3*r2)r1=1/