BOOST电路设计与仿真

目录

一、Boost主电路设计: (2)

1、1占空比D计算 (2)

1、2临界电感L计算 (2)

1、3临界电容C计算(取纹波Vpp<2、2V) (2)

1、4输出电阻阻值 (3)

二、Boost变换器开环分析 (3)

2、1 PSIM仿真 (3)

2、2 Matlab仿真频域特性 (5)

三、Boost闭环控制设计 (7)

3、1闭环控制原理 (7)

3、2 补偿网络的设计(使用SISOTOOL确定参数) (8)

3、3 计算补偿网络的参数 (10)

四.修正后电路PSIM仿真 (10)

五.设计体会 (14)

Boost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、2V Vm=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。

1、2临界电感L计算

选取L>Lc,在此选L=4uH

1、3临界电容C计算(取纹波Vpp<

2、2V)

选取C>Cc,在此选C=100uF

1、4输出电阻阻值

Boost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:

二、Boost变换器开环分析

2、1 PSIM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、2 Matlab仿真频域特性

设定参考电压为5V,则,

系统的开环传递函数为,其中,

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,高频段就是-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、高频段就是-20dB/dec,抗干扰能力差。

将,代到未加补偿器的开环传递函数中。则

,其中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与负载扰动的能力。

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)

原始系统主要问题就是相位裕度太低、穿越频率太低。改进的思路就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:

式中:,,,

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

极点频率

倒置零点频率

直流增益

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f>fp,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:

由前面可有补偿网络的传递函数为:

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,可以瞧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、相角裕度与闭环阶跃响应,从而提高PID的调节性能。