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目录一.Boost主电路设计:..................................................................................21.1占空比D计算.........................................................................................21.2临界电感L计算......................................................................................21.3临界电容C计算(取纹波Vpp2.2V).................................................21.4输出电阻阻值.........................................................................................2二.Boost变换器开环分析..............................................................................32.1PSIM仿真................................................................................................32.2Matlab仿真频域特性.............................................................................5三.Boost闭环控制设计..................................................................................63.1闭环控制原理.........................................................................................63.2补偿网络的设计(使用SISOTOOL确定参数)...................................73.3计算补偿网络的参数.............................................................................8四.修正后电路PSIM仿真...............................................................................9五.设计体会....................................................................................................12Boost变换器性能指标:输入电压:标准直流电压Vin=48V输出电压:直流电压Vo=220V参考电压Vref=5V输出功率:Pout=5Kw输出电压纹波:Vpp=2.2VVm=4V电流纹波:0.25A开关频率:fs=100kHz相位裕度:60幅值裕度:10dB一.Boost主电路设计:1.1占空比D计算根据Boost变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的变化范围。D=𝑈𝑂−𝑈𝑖𝑛𝑚𝑎𝑥𝑈𝑂=0.7821.2临界电感L计算Lc=𝐷𝑉𝑜(1−𝐷)22𝑓𝑠𝑖𝑜=1.8𝜇𝐻选取LLc,在此选L=4uH1.3临界电容C计算(取纹波Vpp2.2V)C=𝐼𝑂𝐷𝑓𝑠𝑉𝑃𝑃=22.7×0.782100000×2.2=80.6𝜇𝐹选取CCc,在此选C=100uF1.4输出电阻阻值R=𝑈𝐼=𝑈×𝑈𝑃=9.68Boost主电路传递函数Gvd(s)占空比d(t)到输出电压Vo(t)的传递函数为:𝐺𝑣𝑑(𝑠)=(1−𝐷)𝑉(1−𝐿𝑆(1−D)2𝑅)𝐿𝐶𝑠2+𝑠(𝐿𝑅)+(1−𝐷)2𝐺𝑣𝑑(𝑠)=47.96∗(1−8.7×10−6𝑠)4×10−10𝑠2+4.13×10−7𝑠+0.048二.Boost变换器开环分析2.1PSIM仿真电压仿真波形如下图电压稳定时间大约1.5毫秒,稳定在220V左右电压稳定后的纹波如下图电压稳定后的纹波大约为2.2V电流仿真波形如下图电流稳定时间大约2毫秒,稳定在22A左右电流稳定后的纹波如下图2.2Matlab仿真频域特性设定参考电压为5V,则𝐇(𝐬)=𝟓𝟐𝟐𝟎=𝟏𝟒𝟒,𝑮𝒎(𝒔)=𝟏𝑽𝒎=𝟏𝟒系统的开环传递函数为𝑻𝒐(𝒔)=𝑮𝒗𝒅(𝒔)𝑮𝒄(𝒔)𝐇(𝐬)𝑮𝒎(𝒔),其中𝐇(𝐬)=𝟏,𝑮𝒄(𝒔)=𝟏由上图可得,Gvd(s)的低频增益为-60dB,截止频率fc=196KHz,相位裕度--84.4,相位裕度过小,高频段是-20dB/dec。系统不稳定,需要加控制电路调整。1、开环传递函数在低频段的增益较小,会导致较大的稳态误差2、中频段的剪切频率较小会影响系统的响应速度,使调节时间较大。剪切频率较大则会降低高频抗干扰能力。3、相角裕度太小会影响系统的稳定性,使单位阶跃响应的超调量较大。4、高频段是-20dB/dec,抗干扰能力差。将𝐇(𝐬)=𝟓𝟐𝟐𝟎=𝟏𝟒𝟒,𝑮𝒎(𝒔)=𝟏𝑽𝒎=𝟏𝟒代到未加补偿器的开环传递函数中。则𝑮𝒐(𝒔)=𝑮𝒗𝒅(𝒔)𝑮𝒄(𝒔)𝐇(𝐬)𝑮𝒎(𝒔),其中𝑮𝒄(𝒔)=𝟏未加补偿器的开环传递函数如图三.Boost闭环控制设计3.1闭环控制原理输出电压采样与电压基准送到误差放大器,其输出经过一定的补偿后与PWM调制后控制开关管Q的通断,控制输出电压的稳定,同时还有具有一定的抑制输入和负载扰动的能力。令PWM的载波幅值等于4,则开环传递函数为F(s)=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)3.2补偿网络的设计(使用SISOTOOL确定参数)原始系统主要问题是相位裕度太低、穿越频率太低。改进的思路是在远低于穿越频率fc处,给补偿网络增加一个零点fZ,开环传递函数就会产生足够的超前相移,保证系统有足够的裕量;在大于零点频率的附近增加一个极点fP,并且为了克服稳态误差大的缺点,可以加入倒置零点fL,为此可以采用如图4所示的PID补偿网络。根据电路写出的PID补偿网络的传递函数为:𝑮𝑪(𝐬)=𝑮𝒄𝒎(𝟏+𝑺𝒘𝒛)(𝟏+𝒘𝒍𝒔)(𝟏+𝒔𝒘𝒑)式中:𝐆𝒄𝒎=−𝑹𝒇𝑹𝒊𝒛+𝑹𝒊𝒑,𝒘𝒛=𝟏𝑹𝒊𝒛𝑪𝒊,𝒘𝒍=𝟏𝑹𝒇𝑪𝒇,𝒘𝒑=𝑹𝒊𝒛+𝑹𝒊𝒑𝑹𝒊𝒛𝑹𝒊𝒑𝑪𝒊在此我们通过使用Matlab中SISOTOOL工具来设计调节器参数,可得:零点频率𝒇𝒛=𝟏.𝟓𝟑𝑲𝑯𝒛极点频率𝒇𝒑=𝟖𝟎𝟓𝑲𝑯𝒛倒置零点频率𝒇𝒍=𝟔𝟎𝟎𝑯𝒛直流增益𝑮𝒄𝒎=𝟎.𝟐𝟕𝟖𝟒首先确定PID调节器的参数,按设计要求拖动添加零点与极点,所得参数如图加入PID之后,低频段的增益抬高,稳态误差减小,如图闭环阶跃响应曲线如下图幅值裕度为:GM=6.81dB,相角裕度:PM=49.6°,截止频率:fc=10KHz高频段ffp,补偿后的系统回路增益在fc处提升至0dB,且以-40dB/dec的斜率下降,能够有效地抑制高频干扰。3.3计算补偿网络的参数由sisotool得到补偿网络的传递函数为:GC(s)=2784.7×(1+0.0001s)(1+0.00027s)s(1+2×10−7s)由前面可有补偿网络的传递函数为:𝑮𝑪(𝒔)=𝑮𝒄𝒎(𝟏+𝑺𝒘𝒛)(𝟏+𝒘𝒍𝒔)(𝟏+𝒔𝒘𝒑)对比两式可得,假设补偿网络中Ci=1μF依据前面的方法计算后,选用Rz=270,Rp=0.2,Rf=75.24,Cf=1.33uF。四.修正后电路PSIM仿真(1)额定输入电压,额定负载下的仿真电压响应如下图电压稳定时间大约为2毫秒,稳定值为220V,超调量有所减少,峰值电压减小到了260V.稳定后的电压纹波如下图(电压纹波大约为2.2V)电流纹波如下(电流纹波大约为0.07A)验证扰动psim图(2)额定输入电压下,负载阶跃变化0-3KW-5KW-3KW电压响应曲线如下图电压调节时间大约1ms,纹波不变大约为2.2V。由此可见,输出电压对负载变化的反应速度很快且输出电压稳定。电流响应曲线如下图(3)负载不变(3KW),输入电压阶跃变化48-36V输入电压从48V变到36V时的电压响应如下图输出电压的局部放大图像如下图由上图可知,输出电压调节时间大约为1ms,而且稳压效果好。五.设计体会通过BOOST变换器的设计,可以看出闭环控制的稳压及抑制干扰的作用。在设计补偿电路可用sisotool电路特性进行修正,从而得到较为理想的幅值裕度、相角裕度和闭环阶跃响应,从而提高PID的调节性能。
本文标题:BOOST电路设计与仿真
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