buck變換器控制電路

12345總分基于單零單級(jí)點(diǎn)控制方式的12A開關(guān)電源PSIM仿真研究學(xué)院：延陵學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：07電Y2姓名：許雙學(xué)號(hào)：07121130時(shí)間：2010年12月12日一、引言隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，要求開關(guān)電源具有更高的效率、可靠性、實(shí)用性。為了得到高性能的開關(guān)電源，本課題通過改進(jìn)控制電路的控制方式，使開關(guān)電源更穩(wěn)定響應(yīng)速度更快速。本文首先采用傳統(tǒng)方法對(duì)BUCK變換器的主電路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與器件的選擇，然后加入單零單級(jí)點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以提高電路的輸出精度和動(dòng)態(tài)特性，得到了該變換器的最優(yōu)化模型。二、設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入直流電壓(VIN)：15V；輸出電壓(VO)：5V；輸出電流(IN)：12A；輸出電壓紋波(Vrr)：50mV；基準(zhǔn)電壓(Vref)：1.5V；開關(guān)頻率(fs)：100kHz。[滯環(huán)控制為PFM方式，不受此限制]三、主電路參數(shù)計(jì)算（1）濾波電感和電容參數(shù)設(shè)計(jì)輸出紋波電壓只與電容的大小及有關(guān)：（1）雖然廠商很少給出電解電容的,但與的乘積趨于常數(shù)，約為。本例中取為。由式（1）可得，。根據(jù)基爾霍夫電壓方程，可知開關(guān)管S閉合與導(dǎo)通狀態(tài)輸入電壓和輸出電壓滿足如下關(guān)系：（2）（3）假設(shè)二極管的通態(tài)壓降V，電感中的電阻壓降V，開關(guān)管導(dǎo)通壓降，可得導(dǎo)通時(shí)間,將此值回代式（2），可得電感值為：為了保證電流的脈動(dòng)小于2A，可將電感的值，適當(dāng)放大些，可以取17.5圖3-1-1buck電路圖(2)用psim軟件參數(shù)掃描當(dāng)時(shí)，輸出電壓和電流和輸出電壓紋波圖3-2-1、圖3-2-1圖3-2-1圖3-2-2如圖用psim軟件做參數(shù)掃描，當(dāng)時(shí)，輸出電壓為5V,輸出電流為12A，輸出電壓紋波,所以理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果是一致的。四、采用小信號(hào)模型分析采用小信號(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：（4）假設(shè)PWM鋸齒波幅值為1.5，，，由此可得采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)原始回路直流增益,。將以上值代入式（4），可得級(jí)點(diǎn)轉(zhuǎn)折頻率：零點(diǎn)轉(zhuǎn)折頻率：原始回路的傳遞函數(shù)所具有的相位裕度和穿越頻率如圖2-1所示。生成圖2-2所示的波特圖MATLAB程序如下：num=[0.00018753];den=[0.00000005250.0000421];figure(1);[mag,phase,w]=bode(num,den);margin(mag,phase,w);圖4-1原始回路的頻率特性五、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用如圖4-1所示的電路形式。圖5-1補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：（5）式中；;如圖4-1所示，在低頻段時(shí)增益為9.54；在頻率為695Hz時(shí)會(huì)有轉(zhuǎn)折發(fā)生，其斜率為-40dB/dec。原始回路在穿越0dB線，相位裕量?jī)H為。設(shè)加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，回路函數(shù)的增益交越頻率等于1/5的開關(guān)頻率，于是穿越頻率如果加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后的回路增益函數(shù)以-20dB/dec斜率處通過0dB線，則變換器系統(tǒng)將有較好的相位裕量，為了得到-20dB/dec的斜率，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在穿越頻率處必須提供+20dB/dec的斜率。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零點(diǎn)：補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的極點(diǎn)：原始回路函數(shù)在的增益為則補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在的增益為現(xiàn)在選用則，，。將以上參數(shù)代入式（5），可得：補(bǔ)償后的網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)波特圖圖5-2從上述波特圖中可以看出穿越頻率為20kHz，相位裕度為55度低頻段增益比補(bǔ)償前增大了很多，并且以-20dB每十倍頻穿越0dB線，系統(tǒng)穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的矯正的目的。MATLAB程序如下：num1=[00.00018753];den1=[0.00000005250.0000421];g1=tf(num1,den1);num2=[034.14148438];den2=[0.0000039810];g2=tf(num2,den2);num3=conv(num1,num2);den3=conv(den1,den2);g3=tf(num3,den3);bode(g1,'*',g2,'--',g3,'-');六、總電路圖的設(shè)計(jì)（1）總電路圖的設(shè)計(jì)采用Psim軟件,psim是趨向于電力電子領(lǐng)域以及電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真應(yīng)用包軟件。具有仿真高速、用戶界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究等有效提供強(qiáng)有力的仿真環(huán)境。圖6-1（2）總電路圖的仿真圖選用PSIM仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，要求有突加、突卸80%負(fù)載和滿載時(shí)的負(fù)載特性圖6-2分析：根據(jù)仿真結(jié)果可看出，負(fù)載電流突加對(duì)電路輸出電壓影響很小，且可在很短時(shí)間就恢復(fù)穩(wěn)定?？梢姳敬卧O(shè)計(jì)的電路的輸出精度和動(dòng)態(tài)特性都符合要求。七、總結(jié)本次設(shè)計(jì)的主要目的是給buck電路設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，提高開關(guān)電源的輸出精度和動(dòng)態(tài)特性。通過本次設(shè)計(jì)我學(xué)會(huì)了最基本的主電路設(shè)計(jì)和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，掌握了一定的電力電子建模知識(shí)，也熟悉了幾種常用仿真軟件的使用。最大的收獲是在這次設(shè)計(jì)中我不斷地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并一步步的改正錯(cuò)誤的過程，在這個(gè)過程中我遇到過很多困難不過在和同學(xué)的共同探討中我們最終解決了一個(gè)個(gè)難題，對(duì)于實(shí)在不會(huì)的問題在老師的耐心指導(dǎo)下我也總算搞懂了，這次設(shè)計(jì)不僅提高了我的理論知識(shí)更提高了我的鉆研精神。參考文獻(xiàn)[1]徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005[2]徐德鴻沈旭楊成林周鄧燕譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004[3]張衛(wèi)平等.開關(guān)變換器的建模與控制[M].北京:中國(guó)電力出版社