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天津理工大学课程设计报告题目:数字式Buck变换器系统设计学生姓名刘磊学号20110761届2014班级11级2班指导教师陈鹏专业电气工程及其自动化起始日期2014年6月1日审核日期2013年6月26日第一章课程设计内容和要求1.1课程设计内容本课程设计要求设计如图BUCK变换器主电路,电路参数如下输入电压:Vin=30VDC;输出性能:Vout=15VDC;Vout(p-p)=0.2v;Iout=10A;当Iout=0.1A时,电感电流临界连续。负载电阻:0.1-8欧开关频率:fs=200KHz。控制算法采用PI控制,对控制PI参数进行整定,进行MATLAB进行仿真,说明控制效果。进行程序编制。1.2课程设计要求1、进行主电路设计,选择滤波电容、电感、MOSFET等主电路器件。2、进行PI控制算法设计。3、进行MATLAB仿真。4、设计控制系统电路画出电路图。1.3课程设计要点、设计步骤1、熟练掌握常用EDA设计软件,如protel等,进行原理图设计。2、采用MATLAB软件进行控制参数的设计。3、根据参数要求设计主电路参数。1.4主要技术关键的分析、解决思路+-VinQfCfLRDUbUo+-A1、分析Buck变换器基本工作原理及工作模式。2、根据Buck变换器性能指标设计主电路参数。3、设计控制系统参数。4、进行仿真分析。第二章系统设计方案第一节Buck变换器技术1.1Buck变换器基本工作原理Buck电路是由一个功率晶体管开关Q与负载串联构成的,其电路如1.1。驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止,当晶体管导通时,若忽略其饱和压降,输出电压uo等于输入电压;当晶体管截止时,若忽略晶体管的漏电流,输出电压为0。电路的主要工作波形如图1.2。+-VinQfCfLRDUbUo+-A图1.1Buck变换器电路Ub0AU00tttVinLiLiQONQOff图1.2Buck变换器的主要工作波形1.2Buck变换器工作模态分析在分析Buck变换器之前,做出以下假设:①开关管Q、二极管D均为理想器件;②电感、电容均为理想元件;③电感电流连续;④当电路进入稳态工作时,可以认为输出电压为常数。在一个开关周期中,变换器有2种开关模态,其等效电路如图1.3所示,各开关模态的工作情况描述如下:1开关模态0[t0~t1][t0~t1]对应图1.3(a)。在t0时刻,开关管Q恰好开通,二极管D截止。此时:dtdiLUUoi电感中的电流线性上升,式1-1可写成:onononominomaxoiTiLTiiLUU2开关模态1[t1~t2][t1~t2]对应图1.3(b)。在t1时刻,开关管Q恰好关断,二极管D导通。此时:dtdiLU0o电感中的电流线性下降,式1-3可写成:offoffoffominomaxoffomaxominoTiLTiiLTiiLU式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时,iiionoff,联解式1-2与式1-4可得:ioDUU输出电流平均值:)ii21Iominomaxo(1.3Buck变换器外特性在恒定占空比下,变化器的输出电压与输出电流的关系Uo=f(io)称为变换器的外特性。式1-5表示了电感电流连续时变换器的外特性,输出电压与负载电流无关。当负载电流减小时,可能出现电感电流断续现象。图1.4为电感电流断续时电流波形图。由式1-2与式1-4可知,当输入电压和输出电压一定时,i为常数。由式1-6可见,当负载电流减少到0iomin时,iiomax,此时最小负载电流ominI,即为电感临界连续电流GI:2ii21IIomaxominG由式1-2及式1-5得i,带入式1-7得:)D1(DL2TUIiG(式1-8)由上式可见,临界连续电流与占空度的关系为二次函数,当D=1/2时,临界连续电流达到最大值:L8TUIiGmax(式1-9)当电感电流断续时,即在Toff结束前续流二极管的电流已下降到0,此时输出的平均电流为:)TiTi21T1I'off'offonono((式1-10)+-VinQfCfLRDUbUo+-A图1.3(a)[t0~t1]+-VinQfCfLRDUbUo+-A图1.3(b)[t1~t2]Ub0AU00tttVinLiLit0t1t2QONQOff图1.3(a)[t1~t2]的主要工作波形Ub0AU00tttVinLiLit0t1t2QONQOff图1.3(b)[t1~t2]的主要工作波形式中,'offT为开关管关断后电感电流持续的时间,并且:'offo'offonoionTUL1iT)UUL1i)(((式1-11)稳态时,'offonii,由式1-11得:onooi'offTUUUT(式1-12)将式1-11及式1-12带入式1-10得:ooi2GmaxoUUUD4I/I(式1-13)即:)2GmaxoioDI4/(I11U/U(式1-14)0TonToff'offTLit图1.4电感电流断续时电流波形可见在电流断续区,输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关,而且与负载电流有关。第二节Buck变换器参数设计2.1Buck变换器性能指标输入电压:Vin=30VDC;输出性能:Vout=15VDC;Vout(p-p)=0.2v;Iout=10A;当Iout=0.1A时,电感电流临界连续。开关频率:fs=200KHz。2.2Buck变换器主电路设计2.2.1占空比D根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围:D=Uo/Ui=15/30=0.5(式2-1)2.2.2滤波电感Lf(1)滤波电感量Lf计算变换器轻载时,如果工作在电流连续区,那么为了保持一定的输出电压,占空比大为减小,也就是说开关管导通时间很短。如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和,变换器的输出将出现失控或输出纹波加大,因此希望变换器工作在电感电流连续状态。所以,以最小输出电流Iomin作为电感临界连续电流来设计电感,即A2.0I2iominminL。在Q关断时,由式1-4得:sLminminoLminoff(max)of(max)fi)D1UiTUL(=5x(1-0.5)/(0.2x200)=62.5uH。(式2-2)由Lf≥Lf(min),取Lf=62.5uH。2.2.3滤波电容Cf(1)滤波电容量Cf计算在开关变换器中,滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。该Buck变换器的输出电压纹波要求Vout(p-p)0.2v。若设0io,即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量,电容在2/T2/)T(Toffon时间间隔内充放电,电容充电的平均电流:)D1(L4TU4i4iIfoLcc(式2-8)电容峰峰值纹波电压为:)D1(fC8LUdtIC1U2sffo2/T0cfc(式2-9)因此,得:c2sfofUfL8)D1(UC(式2-10)取v5.0VU)p-p(outc,D=0.5时,Cf的值最大。即:F1860.2v)KHz200(H5.628)5.01(V15C2f(max)(式2-11)由Cf≥Cf(max)得,取Cf=186uF。(2)滤波电容的耐压值输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值,一般比输出电压的最大值高一些,但不必高太多,以降低成本。由于最大输出电压为15V,则电容的耐压值为15V。(3)滤波电容的选取由输出滤波电容的电容量Cf=186uF,耐压值为15V,留有一定的裕量,则选取186uF/15V电容。2.2.4开关管Q的选取该电路的输入电压是10V,则开关管耐压值为10V,电流的最大值为A1.102/%20A10A102/iIIoQp)(,其开关频率为KHz200f,因此选用的MOSFET管,其额定值为A15/30V。2.2.5续流二极管D的选取w续流二极管所承受的最大反向电压为Vin=10V;在A10Io时,二极管电流的有效值为A07.7.501A10D1IIoD;续流二极管的工作频率为f=200KHz。考虑一定的裕量,选用肖特基二极管SR150-1,其电压和电流额定值为:30V/10A。第三节Buck变换器闭环控制的参数设计3.1闭环控制原理为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标,需要对变化器进行闭环控制。其工作原理为: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锯齿波,即调制波进行交截来控制占空比,从而控制开关管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。图3.1为闭环控制电路的基本原理图。+-VinQfCfLRDUoAH(s)Vref+-Gc(s)脉宽调制图3.1Buck电路闭环控制基本原理图Gc(s)1/VmGvd(s)Gvg(s)Zout(s)H(s))s(refV^)(v^se)(v^sc)(d^s)(v^s)()s(Hv^s)(v^sg)(i^sload+++--环路增益:T(s)=H(s)Gc(s)Gvd(s)/VmT(s)图3.2PWM型DC/DC变换器的小信号模型为了实现闭环控制,为了进一步研究参数对闭环控制的影响,建立PWM型DC/DC变换器的小信号模型,如图3.2所示。Gc(s)为补偿器的传递函数,Gvd(s)为低通滤波器的传递函数,Vm为载波信号的峰峰值。从小信号模型分析,其环路增益T(s)=H(s)Gc(s)Gvd(s)/Vm。要到到闭环控制的目的,其环路增益T(s)要满足一定的条件:①环路增益在低频段要有高增益,呈现积分特性,使系统成为误差系统;②环路增益在中频段要提供足够的相角裕度,使系统稳定;③环路增益在高频段要具有-40dB/Dec的斜率,以抑制高频干扰。3.2Buck变换器的闭环电路参数设计3.2.1Gvd(s)的传递函数分析+-VinQfCfLRDUbUo+-A在CCM情况下,占空比(d)到输出电压(Vo)的小信号传递函数为:200zcgvd/sQ/s1/s1V)s(G(式4-1)其中,fzpfczcfLzLfcLf0ff0RC1CRLR,]CRRR/L[1Q,CL1,,)(该Buck变换器的输入电压为30V,输出电压为15V,输出电流为10A,Lf=625uH,Cf=186uF,取RL=5mΩ,Rc=25mΩ,用Mathcad画出Gvd(s)的幅频特性曲线及相频特性曲线,如图3.3(a)、图3.3(b)所示。11030.010.1110100110311041105110611071108100500Gvd(s)的幅频gvdf()f图3.3(a)Gvd(s)的幅频特性曲线从图4.3(a)可以求得,Gvd(s)的低频增益为33.625dB,谐振频率fr=2.52KHz,截止频率fc=18.67KHz,并且斜率为-40dB/Dec,这是一个典型的低通滤波器。遇到滤波电容Cf的ESR产生的零点处频率636.6KHz时,幅频特性曲线斜率变为-20dB/Dec。11030.010.1110100110311041105110611071108150100500Gvd(s)的相频f()f图3.3(b)Gvd(s)的相频特性曲线从3.3(b)图中可求得,其相角裕度为5.868度。可以看出,相角裕度不足,要进行补偿设计。第四节Buck变换器闭环仿真4.1Buck变换器闭环仿真参数及指标为了验证闭环控制的工作原理及正确性,采用SABER软件对电路做了仿真分析。仿真所用的参数为:输入直流电压:Vin=30VDC;输出直流电压:Vo=15V;开关频率:fs=200KHz;输出电流:Io=10A;输出滤波电感:Lf=625uH;输出滤波电容:Cf=186uF;开关管:MOSFET,MTD6N15T4G;续流二极管:肖特基,SR150-
本文标题:电力电子课程设计
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