课程设计-buck开关电源的应用大学论文.doc

目 录
第1章 课题背景 1
1.1 BUCK电路的工作原理 1
1.2 BUCK开关电源的应用 1
第2章 课题设计要求 1
第3章 课题设计方案 1
3.1 参数 1
3.2 系统的组成 2
3.3 主电路部分的设计 2
3.3.1 滤波电感的计算 3
3.3.2 滤波电容的计算 3
3.4 开环系统的分析 3
3.4.1 开环原始传递函数的计算 3
3.4.2 开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图 4
3.5 闭环系统的设计 4
3.6 双极点双零点补偿控制器的设计 5
3.6.1 补偿网络电路的原理分析 5
3.6.2 补偿器伯德图 7
3.6.3 加入补偿器后系统伯德图分析 8
3.7 闭环系统的仿真 9
3.7.1 电路模块的添加 9
3.7.2 仿真电路参数的设置 9
3.7.3 仿真结果 10
第4章 总结心得 10
第5章 参考文献 11
第6章 附录 11

第1章 课题背景
1.1 BUCK电路的工作原理
BUCK开关电源功能是将电能质量较差的原生态电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压。
1.2 BUCK开关电源的应用
开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。它巨大的作用决定了对它研究的意义。
第2章 课题设计要求
1. 根据设计要求计算滤波电感和滤波电容的参数值，完成开关电路的设计
2. 根据设计步骤和公式，设计双极点-双零点补偿网络，完成闭环系统的设计
3. 采用MATLAB中simulink中simpowersystems模型库搭建开环闭环降压式变换器的仿真模型
4. 观察并记录系统在额定负载以及突加、突卸80%额定负载时的输出电压和负载电流的波形
第3章 课题设计方案
3.1 参数

图3-1 Buck变换器主电路图

1

1、 输入直流电压(VIN)：32V。
2、 输出电压(VO)：18V 。
3、 负载电阻：3 。
4、 输出电压纹波峰-峰值Vpp≤50mV ，电感电流脉动：输出电流的10%。
5、开关频率(fs)：80kHz。
6、BUCK主电路二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V,滤波电容C与电解电容RC的乘积为75。
7、采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S。
当s导通时有： （） （1）
当s关断时有： （2）
t与的关系： （3）
3.2 系统的组成
整个BUCK电路包括Gc(S)为补偿器，Gm（S）PWM控制器，Gvd（S）开环传递函数和H(S) 反馈网络。采样电压与参考电压Vref比较产生的偏差通过补偿器校正后来调节PWM控制器的波形的占空比，当占空比发生变化时，输出电压Uo做成相应调整来消除偏差。系统传函框图：3-2。

图3-2 系统传函框图
3.3 主电路部分的设计
3.3.1 滤波电感的计算
由公式，其中 （4）
，其中，R=3 （5）
（6）
设计要求中，求得，。
3.3.2 滤波电容的计算
由前面的公式（1），（2），（3）及一些参数，，，，。算得：，，。
3.4 开环系统的分析
3.4.1 开环原始传递函数的计算
采用小信号模型分析方法可得Buck变换器原始回路增益函数GO(s)为：

（7）
其中， （8）
其中，是分压电阻，它们的取值是不固定的，但是他们的单位要是级的，这样整个电路的误差会小。此次设计，它们的单位是。
（9）
将数据代入公式（7），得

=
3.4.2 开环原始传递函数的伯德图和相角裕量的分析图
将的表达式输入到MATLAB软件中，可以得到如图3-3所示的伯德图，由图可知=25.6deg。相角裕度过低。需要添加有源超前滞后补偿网络校正。

图3-3 开环原始传递函数的伯德图
3.5 闭环系统的设计

图3-4 闭环系统结构框图
图3-4中包含输入电源，滤波电感，滤波电容，负载，脉冲信号，续流二极管，参考电压以及一些传递函数。
3.6 双极点双零点补偿控制器的设计
3.6.1 补偿网络电路的原理分析

图3-5 有源超前-滞后补偿网络电气图
图3-5中的有源超前-滞后补偿网络电路由一些电阻和电容的串并联组成，通过数电与模电的知识可以得到它的传递函数表达式：
（10）
有源超前-滞后补偿网络有两个零点、三个极点。
（11）
（12）
（13）
（14）
（15）
（16）
零点为：
（17）
（18）
极点为：
为原点
（19）
（20）
频率与之间的增益可近似为: （21）
在频率与之间的增益则可近似为： （22）
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）：
kHz (23)
开环传函的极点频率为：
(24)
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
(25)
将补偿网络两个极点设为,以减小输出的高频开关纹波。
(26)
(27)
根据已知条件使用MATLAB程序算得校正器Gc（s）各元件的值如下（程序见附录），取R2=10000欧姆：
=1.4259；=548.0150；=18.2477；=7.6462e-008；=1.0902e-007；
=1.9894e-010；=7.0133e+003。
通过公式（10）得出：
=
3.6.2 补偿器伯德图

图3-6 补偿器伯德图

3.6.3 加入补偿器后系统伯德图分析

图3-7 加入补偿器后系统的伯德图
由图可知，在加入补偿器之后的=152deg,它远远大于未补偿之前的=25.6deg，相角裕度增加，达到设计的要求。
3.7 闭环系统的仿真
3.7.1 电路模块的添加
在MATLAB软件中，点击Simulink,新建一个.mdl的文件，然后按照仿真电路图向其中添加相应的模块。本次的课程设计所需的模块大多数都在SimpowerSystem中，如power,Mosfet,L,Relay,Rc,C,Pulse Generator,Ideal Switch,R,Voltage Measurement,Scope,Transport delay,gelding,Transfer Fcn,Saturation,
3.7.2 仿真电路参数的设置
①输入的直流电压为18V。
②采用压控开关S2实现80%的额定负载的突加、突卸，负载突加突卸的脉冲信号幅值为1，周期为0.012S，占空比为2%，相位延迟0.006S。
③设置仿真时间为0.04s，采用ode23s算法，可变步长。
④设置传输延迟(Transport Delay)的时间延迟(Time Delay)为0.006，积分(Integrator)的饱和度上限(Upper saturation limit)为0.8349，下限为0.832，绝对误差(Absolute tolerance)为0.000001，PWM的载波为80kHz，幅值为14.4V的锯齿波。
3.7.3 仿真结果

图3-8 未加干扰仿真图

图3-9 加干扰仿真图
第4章 总结心得
通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。本课程设计是在韩霞老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到最终的完成，韩老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。在此对钱老师表示最衷心的感谢！
第5章 参考文献
[1] 电力电子技术 王兆安 机械工业出版社
[2] 开关电源技术教程 张占松 机械工业出版社
[3] 电源的计算机仿真技术 陆治国 科学出版社
[4] 电力电子技术计算机仿真实验 李传琦 电子工业出版社
[5] 电力电子应用技术的MATlab仿真 杜飞 中国电力出版社
[6] 电力电子技术的MATLAB实践 黄忠霖 国防工业出版社
[7] 电力电子系统建模及控制 徐德洪 机械工业出版社
第6章 附录
附录1 MATLAB所用程序：
clc;
clear;
Vg=32;L=1.624*10^(-4);C=9*10^(-4);fs=80*10^3;R=3;Vm=14.4;H=0.8;Rc=0.083;
G0=tf([C*Rc*Vg*H/Vm,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*fz1*C3)
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)
附录2 仿真电路原理图：

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