buck开关电源闭环控制仿真研究

1CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY设计说明书项目名称：电力电子技术关于BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-55V/22V二级学院：电气与光电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：13电学生姓名：庄祥祥学号：13020343指导教师：庄志红职称：副教授起止时间：2016年12月19日—2016年12月31日2《专业综合设计与实践》“实践”评分标准及评分表姓名：庄祥祥学号：13020343序号项目分值标准分类要求分值实际评分1任务功能5任务书指标具体、功能明确，完成课题任务参数具体、明确且实现要求5参数具体，但部分功能未达要求4参数抽象、不够具体，但实现了相关功能3仅实现指标中部分功能2指标不具体，功能笼统、抽象≤12作品效果15能现场演示或仿真，完成相关指标或功能演示效果良好、数据准确＞12基本能演示，数据有误差或功能体现不强10-12少部分指标功能未达到要求或未体现出效果7-9不能演示，仅能仿真4-6无法演示，数据基本不真实≤33PPT内容质量5内容主题鲜明、表达简洁、信息完整主题简洁、思路清晰、重点特出、信息完整5内容显繁琐，概括性不够，思路清楚4内容基本完整，但条理性一般3只能一定程度概括、总结，信息欠完整2仅是说明书中有关内容简单重复，无条理性≤14PPT效果5效果生动，能利用多媒体技术多媒体效果良好、动画生动5能利用多媒体，效果尚可4能利用多媒体，效果较一般3仅是文字动画播放，效果一般2无多媒体效果，仅是文字播放≤15回答问题10解释清楚、正确课题内容熟练、问题解释清楚，思路清晰，能力体现强≥9能力体现尚可，问题解释基本清楚、具体7-8尚能对问题进行解释，但仅是基本知识点方面内容5-6仅能对一些问题进行初步解释，能力表现较一般3-4基本无法回答有关问题≤2合计（实践部分成绩）40分百分制评阅教师签名：评阅日期：.《专业综合设计与实践》“报告”评阅意见评分表姓名：庄祥祥学号：13020343序号项目标准（满分要求）满分实际评分1课题难度功能多、指标高、工作量大；52课题实用性紧密联系实际工程，真实企业产品体现53资料完整性上交资料齐全、信息完整，装订规范54格式规范性图、表、公式、流程图、图纸等规范55内容完整性对设计过程的方案论证、硬软件、仿真等相关信息，内容齐全，介绍完整56论述质量语句通顺、条理清楚、参数准确57广度、深度分析具体、全面，设计细节描述清晰108加分因素创新性、独创性、综合性，等等+10扣分因素有关资料简单重复，相似度高，等等-10合计（报告部分成绩）40百分制评阅教师签名：评阅日期：《专业综合设计与实践》任务书二级学院：电气与光电工程学院班级：13电姓名：庄祥祥学号：13020343项目名称BUCK开关电源闭环控制的仿真研究-55V/22V起止时间2016年12月19日—2016年12月31日课题内容及其目标(指标)要求内容简介：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.观察并记录系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形指标要求：1.输入直流电压(VIN)：55V，输出电压(VO)：22V，输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV2.负载电阻：R=2Ω，电感电流脉动：输出电流的10%，开关频率(fs)=60kHz3.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*F4.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：分组，拟定课题，确定任务和要求；第2天：方案论证、比较，拟定设计方案；第3-5天：具体方案设计和实践；第6天：调试和优化；第7-8天：作品测试，撰写设计说明书；第9天：制作PPT；第10天：答辩。设计地点指导教师：庄志红职称：副教授目录一、引言.................................................1二、课题简介.............................................12.1BUCK变换器PID控制的参数设计......................12.2BUCK电路的工作原理...............................22.3BUCK开关电源的应用...............................3三、课题设计要求.........................................33.1课题内容..........................................33.2参数要求..........................................4四、课题设计方案过程....................................44.1开环系统设计（主电路设计）.........................44.2开环仿真..........................................54.3闭环系统设计.......................................64.3.1闭环系统结构框图..............................64.3.2BUCK变换器原始回路传函的计算.................74.3.3补偿后的系统传函计算..........................84.4闭环系统仿真......................................104.4.1不含干扰负载的闭环系统仿真...................114.4.2含干扰负载的闭环系统仿真.....................12五、总结及心得体会.....................................13六、参考文献............................................14七、附录................................................151一、引言随着电力电子技术的快速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压、大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。二、课题简介BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ui。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。可通过采样环节得到PWM调制波，再与基准电压进行比较，通过PID控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。2.1BUCK变换器PID控制的参数设计PID控制是根据偏差的比例P、积分I、微分D进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数工业控制系统获得良好的闭环控制性能。PID控制的本质是一个二阶线性控制2器，其优点：1、技术纯熟；2、易被人们熟悉和掌握；3、不需要建立数学模型；4、控制效果好；5、消除系统稳定误差2.2BUCK电路的工作原理Buck变换器主电路如图1所示，其中RC为电容的等效电阻(ESR)。图1buck电路主电路图当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。电路工作时波形图如图2所示：图2IGBT导通时的波形当t=t1时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。3图3IGBT关断时的波形至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为：EETtonEtofftontonUo（4-1）其中，ton为IGBT处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。通过调节占空比使输出到负载的电压平均值U0最大为E，若减小占空比，则U0随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，若减小占空比，则Uo随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。2.3BUCK开关电源的应用开关电源的三大基础拓扑：Buck、Boost、Buck-Boost。BUCK开关电源主要应用于低压大电流领域，其目的是为了解决续流管的导通损耗问题。采用一般的二极管续流，其导通电阻较大，应用在大电流场合时，损耗很大。用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决损耗问题，但同时对驱动电路提出了更高的要求。此外，对Buck电路应用同步整流技术，用MOS管代替二极管后，电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器，为实现双向DC／DC变换提供了可能。在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合，很有应用价值，如应用于混合动力电动汽车时，辅以三相可控全桥电路，可以实现蓄电池的充放电。三、课题设计要求3.1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、观察并记录系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压负载电流的波形43.2参数要求输入直流电压(VIN)：55V输出电压(VO)：22V负载电阻(R)：2Ω输出电流(IN):11A输出电压纹波(Vrr)：50mV开关频率(fs)：60kHz负载突变为80%的额定负载电流脉动峰-峰值：A1.1I1.0INL二极管的通态压降VD=0.5V，电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V四、课题设计方案过程4.1开环系统设计（主电路设计）①电容等效电阻RC和滤波电感C的计算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75μΩ*F。计算出RC和C的值。11222RUION（4-1