BUCK變換器設(shè)計

1、BUCK變換器設(shè)計報告一、 BUCK變換器原理降壓變換器（ Buck Converter ）就是將直流輸入電壓變換成相對低的平均直流輸出電壓。它的特點是輸出電壓比輸入的電壓低，但輸出電流比輸入電流高。它主要用于直流穩(wěn)壓電源。二、 BUCK主電路參數(shù)計算及器件選擇1、 BUCK變換器的設(shè)計方法利用 MATLAB和 PSPICE對設(shè)計電路進行設(shè)計，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)選取合適的主電路及主電路元件參數(shù)，建立仿真模型，并進行變換器開環(huán)性能的仿真，再選取合適的閉環(huán)控制器進行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計，比較開環(huán)閉環(huán)仿真模型的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等，選取性能優(yōu)良的模型進行電路搭建。2、主電路的設(shè)計指標(biāo)輸入電壓：標(biāo)稱直流48V，

2、范圍 4353V輸出電壓：直流24V，5A輸出電壓紋波： 100mV電流紋波： 0.25A開關(guān)頻率： 250kHz相位裕量： 60°幅值裕量： 10dB3 、BUCK主電路主電路的相關(guān)參數(shù)：開關(guān)周期： TS= 1 =4× 10-6 sfs占空比：當(dāng)輸入電壓為43V 時， Dmax=0.55814當(dāng)輸入電壓為53V 時， Dmin=0.45283輸出電壓： VO=24V輸出電流 I O=5A紋波電流：i L=0.25A紋波電壓：VL=100mV電感量計算：由i L= V in - max - vo DTS 得：2LL= V in - max - vo DminTS=5324

3、×0.4528 × 4× 10-6 =1.05 × 10-4 H2i L20.25電容量計算：由VL= i L TS 得：8CC=iLTS= 0.25×4×10-6 =1.25 × 10-6 F8VL8 0.1而實際中，考慮到能量存儲以及輸入和負(fù)載變化的影響，C的取值一般要大于該計算值，故取值為120F。實際中，電解電容一般都具有等效串聯(lián)電阻，因此在選擇的過程中要注意此電阻的大小對系統(tǒng)性能的影響。通常鉭電容的ESR在 100 毫歐姆以下，而鋁電解電容則高于這個數(shù)值，有些種類電容的 ESR甚至高達數(shù)歐。 ESR的高低與電容的容

4、量、電壓、頻率和溫度等多因素有關(guān)，一般對于等效串聯(lián)電阻過大的電容，我們可以采用電容并聯(lián)的方法減小此串聯(lián)電阻。此處取RESR=50m。4、主電路的開環(huán)傳遞函數(shù)取 RESR=50m， R=4.8， C=120 F， L=105H， Vin =48V，可得傳遞函數(shù)為：在 MATLAB中根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)畫出 Bode 圖：>> clear>> num0=2.88e-4,48;>> den1=1.27313e-8,2.7875e-5,1;>> bode(num0,den1)>> kg,gm,wkg,wgm=margin(num0,den1)&g

5、t;> grid相角裕量 23.0483 ，顯然不符合設(shè)計要求，考慮對其增添閉環(huán)控制回路進行校正。5、主電路的PSIM仿真電路如下：電流 I1 波形如下：電壓 V1波形如下：三、 BUCK變換器控制框圖BUCK變換器的控制器主要有電壓型控制和電流型控制，其各自電路圖如下所示電壓型：電流型：電壓型控制原理是將開環(huán)電路的輸出電壓進行采樣，采樣信號 H（s）與基準(zhǔn)電壓 VREF輸送到誤差放大器， G（s）設(shè)計的有源串聯(lián)校正 PID 環(huán)節(jié)。其輸出經(jīng)過補償在經(jīng)過 PWM，調(diào)制后的信號控制開關(guān) Q的通斷，以此來控制輸出電壓的穩(wěn)定，達到閉環(huán)控制的目的； 電流型控制用通過功率開關(guān)的電流波形替代普通 PW

6、M的載波信號，每個開關(guān)周期之初，由時鐘脈沖置位 RS觸發(fā)器，于是 Q1導(dǎo)通，之后 i L 逐漸增加，當(dāng) i L 大于調(diào)制信號時，比較器翻轉(zhuǎn)并復(fù)位 RS觸發(fā)器， Q1關(guān)斷。綜合考慮難易程度和功能特性，本設(shè)計采用電壓型控制電路。采用電壓型控制電路的BUCK轉(zhuǎn)換器原理框圖如下所示：Gvd （s）為開環(huán)增益， Gc（ s）× GPWM為調(diào)節(jié)器， H 為反饋因子。則該框圖的閉環(huán)增益為：TGvd(s)H(s)Gc(s)GPWM三、 K- 因子法設(shè)計控制器調(diào)節(jié)器類型有三種：PID 調(diào)節(jié)器性能最佳。搭建好閉環(huán)電路，確定串聯(lián) PID 校正環(huán)節(jié)，確定新的開環(huán)剪切頻率和相位裕量， 確定控制回路中各個電阻電

7、容的取值， 這一工作可采用 K- 因子法完成， K- 因子法設(shè)計步驟是：確定新的剪切頻率；確定校正前處的相角和校正后的相位裕量，計算需要的相位超前量。計算公式為bc'-c90基于確定 K 值， PID 調(diào)節(jié)器公式為：基于 K- 因子確定補償器的零點、極點位置，并計算調(diào)節(jié)器參數(shù)。公式為：校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)如下為：取 fc15.5kHzc163K23.1138計算得校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為四、 MATLAB SISOTOOL利用以上求得的數(shù)據(jù)，用MATLAB的 SISOTOOL工具箱可以畫出加入補償器后的傳遞函數(shù) BODE圖如下幅值裕量、相角裕量均滿足設(shè)計要求五、 PSIM仿真結(jié)果1、帶有 PID 調(diào)節(jié)器的 PSIM電路如下所示：2、將 R1、 R2、