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9.6Ω变为4.8Ω，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V in=43V时，V o=24V，D=0.558 , 求得L=85μH

当V in=48V时，V o=24V，D=0.5 , 求得L=96μH

当V in=53V时，V o=24V，D=0.453，求得L=105μH

所以，取L=105μH

2.2 电容值的计算

代入，得C=1.25μF，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C=120μF

2.3 开关器件电压电流计算

V sw=V in−max=53V 2.4 开传递函数的确定

G vd(s)=

1+sR esr C

1+s2L(1+

R esr

R)C+s(

L

R+R esr C)

V in

G vd(s)=V in(s)

d(s)

=

V in(1+

s

ωZ)

1+

s2

ω02

+s/(Qω0)

其中 R esr=50mΩ

ωz=

1

R esr C

=

1

0.05×120/106

rad/s=166667 rad/s

ω0=

1

√LC(1+R esr

R)=

1

√

105

106×

120

106(1+

0.05

4.8)

=8863 rad/s

Q=

√LC

L

R+R esr C

=

√120×105×10−6

105×10−6/4.8+0.05×120×10−6

=4.018

故开环传递函数为

G vd(s)=

48(1+

s

166667) s2

88632+

s

35612+1

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66.6 7%，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9.6Ω变为4.8Ω，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:T=G vd(s)×H(s)×G c(s)×G PWM

调节器增益：G c(s)×G PWM

反馈因子：H(s)

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70°

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

f c<250000

2

Hz=125000Hz

取 f c=10kHz。

4.4.3 确定G b

由开环传递函数可以求得当f c=10kHZ，即ωc=2π×104 rad/s时，

由于,所以H(s)=1

3.32

=0.3,可得代入传递函数G(s)×H(s),可得

G b=

1

|G(s)×H(s)|

=3.19