buck变换器设计报告

BUCK变换器设计报告

——电力电子装置及应用课程设计

1 设计指标及要求

1.1设计指标

•输入电压标称直流48V 范围：43V~53V

•输出电压：直流24V

•输出电流：直流5A

•输出电压纹波：100mV

•电流纹波：0.25A

•开关频率：250kHz

•相位裕量：60

•幅值裕量：10dB

1.2 设计要求

•计算主回路的电感和电容值

•开关器件选用MOSFET, 计算其电压和电流定额•设计控制器结构和参数

•画出整个电路, 给出仿真结果

2 BUCK主电路各参数计算

图1 利用matlab搭建的BUCK主电路

Mosfet2在0.01s时导通，使得负载电阻由9.6变为4.8，也就是说负载由半载到满载，稳态时负载电流上升一倍，负载电压不变，这两种状态的转换的过程的表征系统的性能指标。

2.1 电感值计算

当时，，D=0.558 , 求得

当时，，D=0.5 , 求得

当时，，D=0.453，求得

所以，取

2.2 电容值的计算

代入，得，由于考虑实际中能量存储以及输入和负载变化，一般取C大于该值，取

2.3 开关器件电压电流计算

2.4 开传递函数的确定

其中

故开环传递函数为

3 系统开环性能

3.1 开环传递函数的阶跃响应

由MATLAB可以作出系统的开环函数的单位阶跃响应，如下图所示

由图可知，系统振荡时间较长，在5ms之后才可以达到稳定值，超调量为66.67%，需要增加校正装置进行校正。

3.2 系统开环输出电压电压、电流响应

由MATLAB simulink作出的系统的输出电压、电流响应如下图所示

图2 开环电压、电流响应

在0.01s时负载由9.6变为4.8，电压振荡后不变，电流增大一倍。

由图可知电压超调量达到70%，电流超调量达到75%。

图3负载变化时电流响应图4负载变化时点响应

图3 电流纹波图4 电压纹波

电流纹波约为0.002A，电压纹波为0.01V，符合设计的要求，由于器件本身的压降损耗等因素，电压稳态值不等于24V，电流的稳态值也不等于5A。

4 控制系统设计

4.1 控制原理

图5 闭环控制系统原理

取输出输出信号作为反馈信号，经过校正装置来控制MOSFET的导通和断开，在开关周期一定的情况下控制占空比，实现闭环控制。根据控制信号的不同，有以下两种控制方法：

图6 电压型控制

电压控制型：电压作为反馈信号，经过校正装置与锯齿波比较来控制开关的占空比。

图7 电流型控制

电流峰值控制：用通过功率开关的电流波形替代普通PWM调制电路中的载波信号。

4.2 闭环系统结构图

图8 闭环系统结构图

闭环增益:

调节器增益：

反馈因子：

4.3 调节器类型

积分器PI调节器PID调节器

•积分器：斜率-20db/dec, -90°.

•PI调节器：加入一个零点，局部斜率平坦，并且可提供90°的超前相位。

•PID调节器：加入两个零点，局部斜率上翘，并且可提供180°的超前相位。

4.4 闭环系统各参数确定

采用电压型控制，取输出电压作为反馈量，选用PID调节器进行调节，并且使用K因子法确定各参数的数值。

4.4.1 确定相位裕量

根据设计要求，相位裕量为60，为确保校正成功，取相位裕量为7 0

4.4.2 确定剪切频率

由于PID调节器可以提供180度相位超前

取 。

4.4.3 确定

由开环传递函数可以求得当，即

时，

由于,所以,可得代入传递函数,可得

4.4.4 各电路参数及的确定

由K因子法公式可得

由公式

可得

进而可得

解得 K=27.75

已知 ，K=27.75，，代入解得

表达式为：

代入得

5 系统闭环电路设计

5.1 基于MATLAB的闭环系统

图 MATLAB下系统闭环电路5.1.1 校正后的bode图

MATLAB作出的校正后的系统bode图

图9 校正前后bode图

利用MATLAB SISOTOOL同样可以作出加入PID调节器系统的bode图

图10 MATLAB SISOTOOL作出的bode图

图中方形点为极点，圆形点为零点，由图中可以直接读出

,并可以求得幅值裕量为无穷大，均符合设计要求。

5.1.2 系统的闭闭环单位阶跃响应

图11 闭环传递函数的单位阶跃响应

对比开环传递函数的单位阶跃响应图可知，系统响应速度加快，在0 .5ms时基本达到稳态值，振荡过程大大缩短。

5.1.3 闭环系统输出电压、电流波形

图12 电压响应波形

图13 电流响应波形

图14 负载变化电流响应图15 负载变化电压响应电压电流纹波状况如下图所示

图16电流纹波 图 电压纹波

由图可知电压电流响应都明显快于开环系统，振荡的幅度小，振荡时间短。电流纹波约为0.002V，电压纹波约为0.01V，均符合设计标准。

5.2 基于psim的闭环电路设计

图基于PSIM的闭环电路图

在48V基础上叠加一个频率为200Hz