电力电子Buck电路课程设计实验报告.doc

电力电子技术课程设计

题 目 Buck变换器设计

学 院 计算机与信息科学学院
专 业 自动化
年 级 2008级
学 号
姓 名
同 组 人
指 导 教 师
成 绩

2010年 7 月 25 日

14

1 引言 1
2 PWM控制器设计 1
2.1 PWM控制的基本原理 1
2.2 控制电路设计 3
3 buck变换器主电路设计 5
3.1 主电路分析 5
3.2 反馈回路设计 7
4 buck变换器控制器设计 7
4.1 系统分析 7
4.2控制器设计 9
4.3控制器实现 11
4.4 结果 12
5 问题和总结 12
参考文献： 13
附录： 14

Buck变换器设计

1 引言
直流电机是人们最先发明、认识和利用的电机，它具有调速范围广，且易于平滑调节，过载、起动、制动转矩大，易于控制，且控制装置的可靠性高，调速时的能量损耗小等优点，在高精度的位置随动系统中，直流电机占据着主导地位[1]。
直流-直流变流器（DC-DC Converter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路为称斩波电路（DC Chopper），它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。
降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让V导通一段时间ton，由电源E 向L、R、
M供电，在此期间，uo＝E。然后使V关断一段时间，此时电感L通过二极管VD 向R
和M 供电，uo＝0。一个周期内的平均电压。输出电压小于电源电压，起到降压的作用[2]。

2 PWM控制器设计
本组设计要求：Buck DC/DC变换器。电源电压Vs=25～30V，瞬时电流(最大电流)不能超过0.5A(由于电源的限制)，开关频率70kHz。要求输出电压Vo=20V；纹波电压小于5%。电感电流不断流。必须完成闭环设计(实现补偿网络)。

2.1 PWM控制的基本原理
PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。

图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM 波形和期望得到的正弦波等效[2] 。 图3 用PWM波形代替正弦波

2.2 控制电路设计
PWM控制芯片SG3525是电压控制型PWM控制器，所谓电压控制型脉宽调制器是按照接反馈电压来调节脉宽的。
控制电路使用PWM控制芯片SG3525来产生开关控制信号。其原理图如下：

图4 PWM控制原理图和工作波形
反馈信号接误差放大器的同相输入端，给定信号接误差放大器的反相输入端，与产生误差信号与锯齿波比较既产生开关控制信号，用于控制主电路MOSFET的通断。当误差信号增大时，开关控制信号的矩形波占空比就会增大。主电路MOSFET的开通时间就会增长，输出电压平均值就会随之增大。减小，开关控制信号的占空比也减小，输出电压平均值就会随之减小。
芯片SG3525的1号脚是误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（9号脚）短接，可构成跟随器。
2号脚是误差放大器同向输入端，该端接给定信号。接电位器后与16号脚相接。开环下，调节2号脚的电位器可调节PWM波形的占空比。闭环下，2号脚与9号脚接补偿器。
6号脚是振荡器定时电阻接入端，该脚的电位器用于调节开关频率。
9号脚是PWM比较器补偿信号输入端。开环下与1号脚短接，闭环下接补偿器的输入端。
13和15号脚接偏置电源，该端电源输入电压不可超过超过20V，否则驱动MOSFET时可能将MOSFET的栅极烧坏。
11和14脚则为开关信号的输出端。两端波形相位相差180度，为互补输出端。
控制器既PWM波形生成器已经如下电路图焊接电路。将五号脚接一个102电容（0.001μF）同时与7号脚短接。11号脚暂时不接电路。

图5 开环控制回路
调试电路，得到SG3525芯片的5号脚出现锯齿波，11和14脚出现方波。由本组实验要求，Vg=25V，V0=20V，则可推出需要的PWM波形的占空比α=0.8。调节2号脚电位器直至11号脚的占空比α=0.4（11和14脚相位相差180度，互为半波）。调节6号脚的电位器直至开关频率为70KHZ。

3 buck变换器主电路设计
3.1 主电路分析

系统框图如下：

图6 Buck变换器系统框图
主电路图如下：

图7 主电路图
整个Buck电路包括Gc（s）补偿器，Gm（s）PWM控制器，Gvd（s）开环传递函数和H（s）反馈回路。给定量R（s）(既SG3525芯片2号脚电位器所对应电压)与反馈量H（s）(既与比较产生的偏差通过超前滞后校正器Gc（s）校正后来调节PWM控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压即作出相应的调整,来消除偏差。
本组控制要求为： Buck DC/DC变换器。电源电压Vs=20～25V，瞬时电流(最大电流)不能超过0.5A(由于电源的限制)，开关频率30kHz。要求输出电压Vo=10V；滤波电容为330μF。电感电流不断流。必须完成闭环设计(实现补偿网络)。
注：由于将SG3525芯片的11和14脚短接后，芯片温度上升过快，温度过高，芯片容易烧毁，所以放弃11和14脚短接后连接主电路的MOSFET。使用一脚即11或14脚单独连接，这样占空比α=0.4，输出电压应为10V。由于实验室只有1mH的电感，则L取1mH，Vs取20V。
纹波电压：5% F
纹波连续：
纹波电流： 。
瞬时电流（最大电流）：

依据如上算出的要求可推算出主电路元件所需数值为：
电容 F
电阻
电感 L=1mH

则可以得到：

电容 C 取330*10^-6F
电阻R 取47
电感L 取1*10^-3H
电阻 取47 R11 取470

焊接主电路，得到开环下主电路电阻R两端的最大平均电压为：4.2V（SG3525芯片1,9号仍然短接）。理论上R两端最大平均电压应该为（）V=10V。再次用示波器测量芯片11号脚和5号脚波形，矩形波和锯齿波均正常。调节2号脚电位器，占空比变小，输出电压也更着变小。更换电容至33，电阻R两端最大平均电压仍然达不到10V。
经验证可能是MOSFET额定电流过大，而本实验限流0.5A，使MOSFET的D极和S极之间压降过大，从而造成实际输出电压偏低。

3.2 反馈回路设计
反馈网络和超前滞后校正器电路图为：

图8 反馈回路和补偿器
反馈回路既H（s）取0.2，既为0.2。取Ry为1K欧姆，Rx为4K欧姆。一端接地。

4 buck变换器控制器设计
4.1 系统分析
把SG3525芯片11号脚占空比调到最大（调节2号脚电位器，当占空比恰好变小那刻）5号脚锯齿波所对应的峰值电压即为实验所需数据Vm的值，实验测得为3.18V，取3.2V。

开环下，传递函数Gvd为：

带入数据得：

原始回路增益函数为：

带入数据得：

用MATLAB得开环下系统的伯德图为：

图9 开环传递函数的伯德图

由MATLAB得：

图10 开环传递函数的相角裕度和幅值裕度
相角裕度只有2.55度，相角裕度过低，不满足设计要求。需加入补偿器。可采用有源超前滞后校正器。

所用MATLAB程序如下：
num=1.25;
den=[3.3*10^-7 2.128*10^-5 1];
G=tf(num,den);
margin(G)

4.2控制器设计
补偿器的传递函数为：

有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。
零点为：,
极点为：为原点，，
频率与之间的增益可近似为:
在频率与之间的增益则可近似为：
考虑达到抑制输出开关纹波的目的，增益交接频率取 （为开关频率）
开环传函的极点频率为，将两个零点的频率设计为开环传函两个相近极点频率的，则：。
将补偿网络两个极点设为以减小输出的高频开关纹波。

根据已知条件使用MATLAB程序（源代码见附录）算得校正器Gc（s）各元件的值如下：
取 R2=3000欧姆
H(S)=1/6

算得：R1=596.3119欧姆 R3=4.5253欧姆
C1=9.987e-08F C2=7.579e-10F C3=5.024e-07F

补偿器伯德图为：

图11 超前滞后校正器的伯德图

加入补偿器后：

图12 加入补偿器后系统的伯德图
相角裕度和幅值裕度为：

图13 加入补偿器后系统的相角裕度和幅值裕度
相角裕度到达64度，幅值裕度到达19.8分贝，符合设计要求。（所用MATLAB程序见附录）

4.3控制器实现

C1和C3用两个104电容近似代替，C2用一个102电容近似代替。
R1用一个500欧姆电阻和100欧姆电阻串联近似代替。
R2用一个1000欧姆电阻和2000欧姆电阻串联得到。
R3用两个10欧姆并联近似代替。

将SG3525芯片的原来短接的1号脚和9号脚分开，1号脚接R1和R3以及C1和C2的连接点，9号脚接超前滞后校正器的输入端。焊接电路板。

4.4 结果
超前滞后校正器校正原理：
给定信号的6倍即为期望的输出信号，例如当2号脚电压为1V时，期望的输出电压即为6V。当系统输入电压调高或者调低时，输出电压通过反馈回路与给定信号比较，产生的偏差输入超前滞后校正器。校正器通过积分作用产生补偿信号在输入PWM控制器，使PWM控制器的误差信号做出相应变化。当输入电压调高时，变低，开关信号的占空比随之变小，输出电压保持不变。当输入电压调低时，变高，开关信号的占空比随之变大，输出电压保持不变。

接上反馈回路和补偿器后，调节2号脚电位器使给定电压为1.5V。期望的输出电压因为。实际输出电压，由于MOSFET问题无法达到这个值。原理上调节输入电压Vg，输出电压不变，占空比应发生变化。但调节输入电压Vg，输出电压出现变化，但占空比α不变化。既补偿器不起作用。关闭输入电压Vg，占空比仍然不变。再次调节2号脚电位器，使给定电压降低。调节输入电压，11号脚占空比仍然不变。测试11号脚矩形波正常，5号脚锯齿波正常。用电压表测试MOSFET的S端电压，有电压，电阻R两端也有电压。
电阻R串联个47欧姆的电阻，再次测试，占空比仍然没有变化。闭环失败。

5 问题和总结
课程设计过程中遇到的问题及解决：

1. 在焊接电路板时，要注意电路的干扰问题，接线尽可能的短，元件要适当的远离。第一次焊接PWM控制器时由于线过多，造成锯齿波和矩形波不正常。后重新焊接一片电路板，减少用线，适当调整元件布局，波形正常。
2. 由于将SG3525芯片的11和14脚短接后，芯片温度上升过快，温度过高，芯片容易烧毁，所以放弃11和14脚短接后连接主电路的MOSFET。使用一脚即11或14脚单独连接，这样总的占空比α=0.4。
3. 在开环下，主电路R两端的输出电压应该为10V，但实际最大平均电压只有4.2V。更换主电路电容为33后，仍无法解决问题。最终原因可能是电路器件的问题。
4. 接上反馈回路和补偿器后，调节好给定电压。但调节输入电压Vg，输出电压出现变化，但占空比不变化。既补偿器不起作用，闭环失败。

总结：
在此首先对何老师表示由衷的敬佩和感激。感谢何老师的耐心教导和讲解。使我们学到了更多的知识。感谢何老师，在那么晚的时间仍然留在实验室，帮助我们解决问题。
本次课程设计之所以失败，是因为我们没有完全的考虑到可能造成闭环失败的各种原因。因一时之急而错失解决问题的机会。当遇到问题时，应该更多的去冷静分析问题，找到问题的根源，再解决问题。
本次课程设计，是对我们所学课程的一次检验，更是一次实际应用。通过此次课程设计，使我们对“电力电子技术”还有“自动控制原理”等课程有了更深入的了解。使我们不单单局限于书本上的知识，使我们学会如何将理论知识与实际应用结合起来。

参考文献：
[1] 梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞，等.自动控制元件及线路[M].北京：科学出版社，2005.9-10.
[2] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京.机械工业出版社,2010.1.
[3] 胡寿松.自动控制原理[M].北京.科学出版社,2007.6.
附录：
所用MATLAB程序代码如下：

%syms marg_G AV1 AV2 R2 R3 R1 C1 C2 C3
clc;
clear;
Vg=20;L=1*10^-3;C=330*10^-6;fs=30*10^3;R=47;Vm=3.2;H=0.2
G0=tf([Vg*H/Vm],[L*C L/R 1])
figure(1)
margin(G0);
fp1=1/(2*pi*sqrt(L*C));
fg=(1/5)*fs;
fz1=(1/2)*fp1;
fz2=(1/2)*fp1;
fp2=fs;
fp3=fs;
[marg_G0,phase_G0]=bode(G0,fg*2*pi);
marg_G=1/marg_G0;
AV1=fz2/fg*marg_G;
AV2=fp2/fg*marg_G;
R2=10*10^3;
R3=R2/AV2;
C1=1/(2*pi*fz1*R2);
C3=1/(2*pi*fp2*R3);
C2=1/(2*pi*fp3*R2);
R1=1/(2*pi*C3*fz1);
num=conv([C1*R2 1],[(R1+R3)*C3 1]);
den1=conv([(C1+C2)*R1 0],[R3*C3 1]);
den=conv(den1,[R2*C1*C2/(C1+C2) 1]);
Gc=tf(num,den);
figure(2)
bode(Gc);
G=series(Gc,G0);
figure(3)
margin(G)