..BUCK變換器設計報告一、BUCK主電路參數計算及器件選擇BUCK變換器設計方法利用計算機設計BUCK變換器,首先要選取合適的仿真軟件。本文采用MATLAB和PSIM設計軟件進行BUCK變換器的綜合設計。在選取好設計軟件之后,先根據設計指標選取合適的主電路及主電路元件參數,建立仿真模型,并進行變換器開環性能的仿真。如果開環仿真結果不能滿足設計要求,再考慮選取合適的閉環控制器進行閉環控制系統的設計。設計好閉環控制器后,對其進行閉環函數的仿真,選取超調小、調節時間快的閉環控制器搭建模型進行電路仿真。2、主電路的設計BUCK變換器設計指標輸入電壓：標稱直流電壓48V,范圍：43V～53V；輸出電壓：直流24V；輸出電流：直流5A；輸出電壓紋波：100mV；輸出電流紋波：0.25A；開關頻率：250kHz；相位裕量：60；幅值裕量：10dB。設計要求計算主回路電感和電容值；開關器件選用MOSFET,計算其電壓和電流定額；設計控制器結構和參數；畫出整個電路,給出仿真結果。根據設計指標,采用BUCK電路作為主電路,使用MOSFET元件作為開關元件,這是因為MOSFET的開關速度快,工作頻率高,可以滿足250khz的開關頻率,此外,MOSFET與其他開關器件最顯著的不同,是MOSFET具有正溫度系數,熱穩定性好,可以并聯使用,其他開關器件不具有此特性?！?BUCK電路的主電路的拓撲圖：〔2主電路的基本參數計算:開關周期：Ts=1/fs=4*占空比<不考慮器件管壓降>：D=Vin=43V時,DmaxVin=53V時,Dmin=v輸出電壓：Vo=24V；輸出電流：Io=0.25A;額定負載：R=Vo÷Io=4.8Ω紋波電流：△I=0.25A；紋波電壓：△V=100mV電感量理論值計算：由：,得：,電容量理論值計算：由：,得考慮到能量儲存以及伏在變化的影響,要留有一定的裕度,故取C=120uF.由于電解電容一般都具有等效串聯電阻Resr,因此在選擇的過程中需要注意此電阻的大小對系統性能的影響。一般對于等效串聯電阻過大的電容,我們可以采用電容并聯的方法減小此串聯電阻。取Resr=50m〔3主電路開環性能測試現通過Matlab對系統開環傳遞函數進行仿真。A、首先計算系統開環傳遞函數如下：對主電路進行Laplace變換可得到系統在復頻域下的傳遞函數：,,B、編制MZTLAB程序,由MATLAB計算主回路的傳遞函數,畫出bode圖。1取Resr=50mΩ,Rload=4.8Ω,得傳遞函數：Gvd<s>=<0.000144s+24>/〔1.273e-008s^2+2.788e-005s+12>開環傳遞函數的Bode圖由上圖可得,系統的剪切頻率為7kHz,其相位裕量為17.7<60,相位裕度不足。顯然不滿足設計要求。C、主電路的PSIM仿真電壓波形：電流波形：由上圖可知,電壓和電流的超調量都很大,調節時間長。因此需要對系統進行源矯正,使系統相位裕量增大,減小超調和震蕩,縮短調節時間。二、控制器的設計<1>BUCK變換器的控制方框圖及原理：BUCK降壓變換電路的控制器主要有電壓型控制和電流型控制。其中電壓型控制的原理是:將開環電路的輸出電壓進行采樣,采樣信號H〔s與基準電壓Vref輸送到誤差放大器,G<s>設計的有源串聯校正PID環節。其輸出經過補償再經PWM脈寬調制,調制后的信號控制開關Q的通斷,以此來控制輸出電壓的穩定,從而達到閉環控制的目的。而電流型控制設計較為復雜,所以用電壓型控制進行下一步的設計。下圖為電壓型控制的原理框圖。引入反饋后,構成閉環控制。Gvd<s>—開環增益,Gc<s>*Gpwm—調節器,H<s>—反饋因子Gvd,由此T=Gvd<s>*H<s>*Gc<s>*Gpwm—回路增益〔閉環增益得到回路增益〔閉環增益：根據閉環控制框圖和電壓型控制器的電路可在PSIM中搭建閉環控制仿真圖如下:負載兩端電壓VP1仿真結果：待穩定后,放大局部,得到下圖結果：由圖分析,加入反饋后,超調量明顯減小,調節時間明顯縮短。但輸出電壓并不是在24V左右波動。因此,接下來,需要設計調節器進行校正。三、K-因子法設計調節器〔1調節器的選用。為取得好的校正效果,選用PID調節器。閉環電路搭建好后,接下來的工作便是確定串聯PID校正環節,即確定新的開環剪切頻率和相位裕量,確定控制回路中各個電阻電容的取值?？刂菩Ｕh節的設計有很多方法。可以用K因子法作為基礎,使用Matlab自帶工具箱SISOTOOL進行閉環系統的校正。.〔2K-因子法設計步驟K因子校正的方法主要有以下幾步：a、首先確定新的剪切頻率fcb、確定校正前fc處的相角φc和校正后的相位裕量φ.c、基于φs確定K值,公式如下〔類型三,d、基于K-因子確定補償器的零點、極點位置,并計算調節器參數。計算公式如下：,,e、校正環節傳遞函數如下：〔3控制器參數選擇及計算采用類型三的PID環節進行校正。為保證系統不受高頻信號的干擾,選取的截止頻率須在開關頻率的一半以下,為了讓其抗噪聲能力提高,一般截止頻率取在開關頻率的1/4~1/5處。同時,為了保證幅值裕量,還需對校正的結果進行仿真,觀察其幅值裕量是否能夠滿足要求。經多次實驗,選取截止頻率為10kHZ左右便可滿足調節時間紋波的要求。參數計算如下：fc=10.11φc=-１５７,φ'cK=37.702控制器電容電壓參數：令R1=Rbias=5KΩ,得：RC1=18.826uF,C2=1.532nF,R3<4>環性能分析利用以上求得的數據,用Matlab的SISOTOOL工具箱可畫出加入補償器后的傳遞函數BODE圖如下：由bode圖可得系統的開環剪切頻率和相位裕量均滿足要求,幅值裕量為無窮大,也滿足要求。該校正的主要缺點是截止頻率偏低,致使在主回路大電容情況下的響應速度略慢。系統閉環階躍響應曲線如下：由Bode圖可知,系統閉環階躍響應的調節時間約為0.4ms,有少量的超調。<5>閉環性能的仿真用PSIM軟件所做的加入補償器后的仿真電路如下圖所示：電壓仿真結果如下圖所示〔直流48V電壓輸入超調量太大,峰值電壓在47V左右,要對K因子算出的結果進行修正。四、補償環節Gc<s>的修正———應用設計方法如下：〔1先將K因子法補償的零極點加入到開環傳遞函數中并在SISOTOOL中繪制Bode圖。〔2拖動零、極點位置將重合的零、極點分離。打開系統閉環階躍響應實時仿真圖。〔3拖動Bode圖上零、極點或進入面板修改各個極點的位置,觀察階躍響應曲線,直到達到補償目標。此時進入SISOTOOL面板中記錄校正環節傳遞函數〔4利用同K因子法相同的計算公式計算電容電阻的參數。根據以上設計方法,將K因子法的補償結果導入SISOTOOL中,得到Bode圖如下。將加入的兩個零點的頻率適當減小并分離,以提高開環傳遞函數在震蕩極點處的相位裕量。同時,將兩個極點向更高頻次的范圍內擴展并分開,通過改變增益,適當提高截止頻率,減小調節時間。按照上述方法,在sisotool的bode圖中調節零極點和曲線位置,找到合適的閉環階躍響應,如下圖所示。此時的Bode圖為：由圖中可得系統的開環剪切頻率和相位裕度均滿足要求,幅值裕量為無窮大,滿足要求。由閉環階躍響應可知,系統的閉環階躍響應的時間比K因子法大大縮減。由圖中可得,fz1=460HZ,fz2=1180HZ,fp1=61KHz,剪切頻率fc=87kHz；R2=50Ω,計算得R1=Rbias=6664Ω,C1=51.76nF,C2=314.2pF,R3=3451Ω,C3=39.1nF.五、修正后的PSIM仿真