电力电子技术课程设计-BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-30V10V.docx

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY

课 程 设 计 说 明 书

课程设计名称： 电力电子
题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- V/ V

2016年6月

电力电子课程设计任务书

二级学院：电气与光电工程学院 班级： 13电二
组号： 8# 专业：电气工程及其自动化
指导教师： 职称 讲师

课题名称
BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-30V/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、撰写课程设计说明书（封面，目录，正文）

指标要求：
1、输入直流电压(VIN)：30V，输出电压(VO)：10V，输出电压纹波峰-峰值 Vpp≤50mV
2、负载电阻：R=2Ω，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=0.1qV，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75μΩ*F
4、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
2
日

目录
一、Buck电路工作原理 4
二、Buck开关电源的应用 5
三、课程目的及设计要求 6
3.1 电力电子设计目的 6
3.2 电力电子设计要求 6
四、课程设计方案 7
4.1 Buck闭环系统框图 7
4.2 主电路设计以及参数运算 7
4.3 开环Buck电路仿真 9
五、闭环系统的设计 10
5.1 闭环系统结构图 10
5.2 Buck变换器原始回路传递函数的计算 11
5.3 补偿器的传递函数设计及仿真 12
5.4 闭环系统电路仿真 14
六、心得体会 16
七、参考文献 16
八、附录 17

18

一、Buck电路工作原理
降压式变换电路（Buck电路）详解
Buck电路基本结构如图1

图1
开关导通时等效电路 开关关断时等效电路如图2

图2
等效的电路模型及基本规律
（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤  波器设计 的原则是使的直流分量可以通过，而抑制的谐波分量通过；电容上输出电压就是的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。
（2） 电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 
          放电引起的纹波uripple（t）很小，相对于电容输出的直流电压有：
（3） 电容上电压宏观上可以看作恒定的             
     电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。
一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。
      这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。
（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S
 置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于
电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：          
此增量将产生一个平均感应电势：
此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。

二、Buck开关电源的应用
现代电子系统设计都需要一个恒定输出的供电电源，无论输入电压还是负载电流发生变化，只要这些变化在稳压源的运行范围内，稳压源都要保证电路有恒定的连续的电压输出。在便携式系统中，输入电压常常来自电池或直流电压源，而系统所用的芯片越来越多，芯片的功耗也越来越大，系统各芯片对电源的电压、电流和性能要求也多种多样。开关电源以PWM技术为主，通过改变脉冲的占空比调节输出电压，如何根据电压和电流情况并考虑性能、功耗和体积等因素在众多的电源芯片中选型并优化，是电子系统设计中面临的重要问题。借助于TI最新的WEBENCH电源设计工具可以在TI众多的电源芯片中挑选出适合项目的芯片并进行外围电路设计和优化。
三、课程目的及设计要求
3.1 电力电子设计目的
此次电力电子课程设计中，有四个目的：
1. 了解开、闭环降压拓扑的基本结构及工作原理
2. 掌握BUCK开关电源电路中各元器件选择和主要参数的计算
3. 运用Matlab仿真软件对所设计的开、闭环降压电路进行仿真
4. 掌握降压电路电压控制双极点、双零点补偿环节的设计与仿真技术

3.2 电力电子设计要求
本次电力电子课程设计要求中，有七个要求：
1. 输入直流电压（Vin）：30V
2. 输出电压（Vo）：10V
3. 输出电压纹波峰-峰值：Vpp≤55mV
4. 负载电阻：R=2Ω
5. 电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=100kHz
6. 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75μΩ*F
7. 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
四、课程设计方案
4.1 Buck闭环系统框图
图3
直流变换：将固定的直流电压转换为可变的直流电压。
控制对象：实际的物理系统，是希望被控制的实际系统。
采样网络：确定了采样位置的点网系统,用来监测一个或多个特定地点的参数。
补偿控制器：提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。
锯齿波PWM补偿控制器：通过高频开关调制，使变换器输出波形的频谱间距拉大，然后利用滤波器滤出不需要的高频分量。
4.2 主电路设计以及参数运算
电容等效电阻Rc和滤波电感L的计算
上图中Rc为电容的等效电阻（ESR），输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，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50-80μ*ΩF。本例中取为75μ*ΩF。计算出Rc和C的值。
(1-1)

(1-2)
(1-3)
滤波电感L的计算
开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程可以计算。
S开通：（） (1-4)
(1-5)
(1-6)

结合（1-4），（1-5)以及（1-6）可以得出：
S关断： （1-6）
（1-6）
最终得到
4.3 开环Buck电路仿真
仿真电路如图4所示

图4
仿真如图5，图6（电流，电压稳定后的放大图形）所示

图5

图6
仿真结果分析：仿真时采用ode23tb算法，开始仿真时时间设为0s，停止仿真时间设为0.04s,相对误差设置为1e-03，控制脉冲占空比为33.3％，得出输出电压为：
五、闭环系统的设计
5.1 闭环系统结构图

图7

整个Buck电路包括为补偿器，为PWM控制器，为开环传递函数和为反馈网络。采样电压与参考电压比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWm控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压做成相应调整来消除偏差。如图8所示

图8
Gc(s):补偿控制器 Gm(s):锯齿波PWM控制器
Gvd(s):直流变换和控制对象 H(s):采样网络
5.2 Buck变换器原始回路传递函数的计算
采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数为：

其中为锯齿波PWm环节传递函数，近似成比例环节，为锯齿波幅值的倒数。为采样网络传递函数，，Rx，Ry为输出端反馈电压的分压电阻，为开环传递函数。
将，，，，，，带入传递函数表达式，得到：

所用matlab程序：num=[0.000225，3]
den=[1.03*10^-7,6.9*10^-5,1]
G0 =tf(num,den);
bode(G0);
margin(G0);

图9
用matlab绘制伯德图如图9，得到相角裕度33.6度。
由于相角裕度过低，因此需要添加有源超前滞后补偿网络校正。
5.3 补偿器的传递函数设计及仿真
补偿器的传递函数为：
有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。
零点为：，
极点为：为原点，，
频率与之间的增益可近似为：
在频率与之间的增益则可近似为：
考虑达到抑制输出开关纹路波的目的，增益交接频率取：
开环传递函数的极点频率为：
将两个零点的频率设计为开环传递函数两个相似极点频率的，
则
将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。
先将取值，根据公式可推出：

计算过程通过matlab变成完成。根据闭环传递函数，绘制伯德图，得到相角裕度。

加入补偿器之后伯德图如图10所示

图10
可以看出补偿后的相角裕度达到了154°，满足设计要求。
5.4 闭环系统电路仿真
闭环系统电路如图11所示：

图11
仿真波形如图12所示：

图12

图12
补偿后的数据分析：对闭环系统进行仿真（不含干扰负载），使参数符合控制要求），并记录波形。经过调试，设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.0002，
积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为1.109，下限为1.105，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为100kHz，幅值为10KV的锯齿波。
系统在突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形。其中采用压控开关S2实现负载的突加、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20%，相位延迟0.006S。

六、心得体会
经过一个星期的拼搏和努力，终于完成了本次电力电子课程设计。在此次课设中，我们对BUCK变换器进行了详细的介绍，包括电路分析及原理解释、主电路参数设计、闭环参数的抑制干扰和BUCK电路的闭环仿真。考虑到实际应用和软件修改的方便，设计中补偿电路采用的是PID控制策略。在PID控制中，比例项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。另外，为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，选用具有三个极点、双零点补偿的有源超前-滞后补偿网络。增设的两个零点补偿由于Buck变换器的极点造成的相位滞后，其中一个极点可以抵消变换器的ESR零点，另一个极点设置在高频段，可以抑制高频噪声。
这次课程设计是对于我们电力电子与自动控制课程的检测，在理论中的基础上把它运动到实际生活中。查阅资料，与同组同学交流的过程也是一种学习。也熟练熟悉并运用MATLAb仿真软件的使用，通过它来检测系统的稳定性和抗干扰能力，也让我真正做到了学以致用。
最后，感谢老师在这次课程设计中对我们的指导和纠正。
七、参考文献
1、《电力电子技术的MATLAB实践》黄忠霖，国防工业出版社，1992；
2、《电力电子系统建模及控制》徐德洪，机械工业出版社，1993；
3、《开关变换器的建模与控制》张卫平，中国电力出版社，1996；
4、《电力电子技术[M]》丁道宏.北京：航空工业出版社，1992；
5、《电力电子技术应用教程》蒋渭忠.电子工业出版社；2007；

八、附录
Matlab程序如下:
clc;
clear;
Vg=30;L=137.09*10^(-6);C=750*10^(-6);fs=100*10^3;R=2;Vm=3;H=0.3;R c=0.1;
G0=tf([C*Rc*Vg*H/Vm,Vg*H/Vm],[L*C,L/R,1]);
figure(1);
fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C));
margin(G0);
fg=(1/5)*fs;
fz1=(1/2)*fp1;
z2=(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_G
AV2=fp2/fg*marg_G
R2=10*10^3;
R3=R2/AV2
C1=1/(2*pi*fz1*R2)
C3=1/(2*pi*fp2*R3)
C2=1/(2*pi*R2*(fp3-fz1))
R1=1/(2*pi*fz1*C3)
num=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)

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