电力电子课程设计报告.docx
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电力电子课程设计报告
天津理工大学
课程设计报告
题目:
数字式Buck变换器系统设计
学生姓名刘磊学号20110761
届2014班级11级2班
指导教师陈鹏专业电气工程及其自动化
起始日期2014年6月1日审核日期2013年6月26日
第一章课程设计内容和要求
1.1课程设计内容
本课程设计要求设计如图BUCK变换器主电路,
+
-
Vin
Q
f
C
f
L
R
D
Ub
Uo
+
-
A
电路参数如下
输入电压:
Vin=30VDC;
输出性能:
Vout=15VDC;
Vout(p-p)<=0.2v;
Iout=10A;
当Iout=0.1A时,电感电流临界连续。
负载电阻:
0.1-8欧
开关频率:
fs=200KHz。
控制算法采用PI控制,对控制PI参数进行整定,进行MATLAB进行仿真,说明控制效果。
进行程序编制。
1.2课程设计要求
1、进行主电路设计,选择滤波电容、电感、MOSFET等主电路器件。
2、进行PI控制算法设计。
3、进行MATLAB仿真。
4、设计控制系统电路画出电路图。
1.3课程设计要点、设计步骤
1、熟练掌握常用EDA设计软件,如protel等,进行原理图设计。
2、采用MATLAB软件进行控制参数的设计。
3、根据参数要求设计主电路参数。
1.4主要技术关键的分析、解决思路
1、分析Buck变换器基本工作原理及工作模式。
2、根据Buck变换器性能指标设计主电路参数。
3、设计控制系统参数。
4、进行仿真分析。
第二章系统设计方案
第一节Buck变换器技术
1.1Buck变换器基本工作原理
Buck电路是由一个功率晶体管开关Q与负载串联构成的,其电路如1.1。
驱动信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止,当晶体管导通时,若忽略其饱和压降,输出电压uo等于输入电压;当晶体管截止时,若忽略晶体管的漏电流,输出电压为0。
电路的主要工作波形如图1.2。
图1.1Buck变换器电路
图1.2Buck变换器的主要工作波形
1.2Buck变换器工作模态分析
在分析Buck变换器之前,做出以下假设:
①开关管Q、二极管D均为理想器件;
②电感、电容均为理想元件;
③电感电流连续;
④当电路进入稳态工作时,可以认为输出电压为常数。
在一个开关周期中,变换器有2种开关模态,其等效电路如图1.3所示,各开关模态的工作情况描述如下:
1开关模态0[t0~t1]
[t0~t1]对应图1.3(a)。
在t0时刻,开关管Q恰好开通,二极管D截止。
此时:
电感中的电流线性上升,式1-1可写成:
2开关模态1[t1~t2]
[t1~t2]对应图1.3(b)。
在t1时刻,开关管Q恰好关断,二极管D导通。
此时:
电感中的电流线性下降,式1-3可写成:
式中Toff为开关管Q的关断时间。
在稳态时,
,联解式1-2与式1-4可得:
输出电流平均值:
1.3Buck变换器外特性
在恒定占空比下,变化器的输出电压与输出电流的关系Uo=f(io)称为变换器的外特性。
式1-5表示了电感电流连续时变换器的外特性,输出电压与负载电流无关。
当负载电流减小时,可能出现电感电流断续现象。
图1.4为电感电流断续时电流波形图。
由式1-2与式1-4可知,当输入电压和输出电压一定时,
为常数。
由式1-6可见,当负载电流减少到
时,
,此时最小负载电流
,即为电感临界连续电流
:
由式1-2及式1-5得
,带入式1-7得:
(式1-8)
由上式可见,临界连续电流与占空度的关系为二次函数,当D=1/2时,临界连续电流达到最大值:
(式1-9)
当电感电流断续时,即在Toff结束前续流二极管的电流已下降到0,此时输出的平均电流为:
(式1-10)
式中,
为开关管关断后电感电流持续的时间,并且:
(式1-11)
稳态时,
,由式1-11得:
(式1-12)
将式1-11及式1-12带入式1-10得:
(式1-13)
即:
(式1-14)
图1.4电感电流断续时电流波形
可见在电流断续区,输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关,而且与负载电流有关。
第二节Buck变换器参数设计
2.1Buck变换器性能指标
输入电压:
Vin=30VDC;
输出性能:
Vout=15VDC;
Vout(p-p)<=0.2v;
Iout=10A;
当Iout=0.1A时,电感电流临界连续。
开关频率:
fs=200KHz。
2.2Buck变换器主电路设计
2.2.1占空比D
根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围:
D=Uo/Ui=15/30=0.5(式2-1)
2.2.2滤波电感Lf
(1)滤波电感量Lf计算
变换器轻载时,如果工作在电流连续区,那么为了保持一定的输出电压,占空比大为减小,也就是说开关管导通时间很短。
如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和,变换器的输出将出现失控或输出纹波加大,因此希望变换器工作在电感电流连续状态。
所以,以最小输出电流Iomin作为电感临界连续电流来设计电感,即
。
在Q关断时,由式1-4得:
=5x(1-0.5)/(0.2x200)=62.5uH。
(式2-2)
由Lf≥Lf(min),取Lf=62.5uH。
2.2.3滤波电容Cf
(1)滤波电容量Cf计算
在开关变换器中,滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。
该Buck变换器的输出电压纹波要求Vout(p-p)<0.2v。
若设
,即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量,电容在
时间间隔内充放电,电容充电的平均电流:
(式2-8)
电容峰峰值纹波电压为:
(式2-9)
因此,得:
(式2-10)
取
,D=0.5时,Cf的值最大。
即:
(式2-11)
由Cf≥Cf(max)得,取Cf=186uF。
(2)滤波电容的耐压值
输出滤波电容的耐压值决定于输出电压的最大值,一般比输出电压的最大值高一些,但不必高太多,以降低成本。
由于最大输出电压为15V,则电容的耐压值为15V。
(3)滤波电容的选取
由输出滤波电容的电容量Cf=186uF,耐压值为15V,留有一定的裕量,则选取186uF/15V电容。
2.2.4开关管Q的选取
该电路的输入电压是10V,则开关管耐压值为10V,电流的最大值为
,其开关频率为
,因此选用的MOSFET管,其额定值为
。
2.2.5续流二极管D的选取w
续流二极管所承受的最大反向电压为Vin=10V;在
时,二极管电流的有效值为
;续流二极管的工作频率为f=200KHz。
考虑一定的裕量,选用肖特基二极管SR150-1,其电压和电流额定值为:
30V/10A。
第三节Buck变换器闭环控制的参数设计
3.1闭环控制原理
为了使变换器的输出电压稳定达到所要求的性能指标,需要对变化器进行闭环控制。
其工作原理为:
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锯齿波,即调制波进行交截来控制占空比,从而控制开关管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和负载扰动的能力。
图3.1为闭环控制电路的基本原理图。
图3.1Buck电路闭环控制基本原理图
图3.2PWM型DC/DC变换器的小信号模型
为了实现闭环控制,为了进一步研究参数对闭环控制的影响,建立PWM型DC/DC变换器的小信号模型,如图3.2所示。
Gc(s)为补偿器的传递函数,Gvd(s)为低通滤波器的传递函数,Vm为载波信号的峰峰值。
从小信号模型分析,其环路增益T(s)=H(s)Gc(s)Gvd(s)/Vm。
要到到闭环控制的目的,其环路增益T(s)要满足一定的条件:
①环路增益在低频段要有高增益,呈现积分特性,使系统成为误差系统;
②环路增益在中频段要提供足够的相角裕度,使系统稳定;
③环路增益在高频段要具有-40dB/Dec的斜率,以抑制高频干扰。
3.2Buck变换器的闭环电路参数设计
3.2.1Gvd(s)的传递函数分析
在CCM情况下,占空比(d)到输出电压(Vo)的小信号传递函数为:
(式4-1)
其中,
该Buck变换器的输入电压为30V,输出电压为15V,输出电流为10A,Lf=625uH,Cf=186uF,取RL=5mΩ,Rc=25mΩ,用Mathcad画出Gvd(s)的幅频特性曲线及相频特性曲线,如图3.3(a)、图3.3(b)所示。
图3.3(a)Gvd(s)的幅频特性曲线
从图4.3(a)可以求得,Gvd(s)的低频增益为33.625dB,谐振频率fr=2.52KHz,截止频率fc=18.67KHz,并且斜率为-40dB/Dec,这是一个典型的低通滤波器。
遇到滤波电容Cf的ESR产生的零点处频率636.6KHz时,幅频特性曲线斜率变为-20dB/Dec。
图3.3(b)Gvd(s)的相频特性曲线
从3.3(b)图中可求得,其相角裕度为5.868度。
可以看出,相角裕度不足,要进行补偿设计。
第四节Buck变换器闭环仿真
4.1Buck变换器闭环仿真参数及指标
为了验证闭环控制的工作原理及正确性,采用SABER软件对电路做了仿真分析。
仿真所用的参数为:
●输入直流电压:
Vin=30VDC;
●输出直流电压:
Vo=15V;
●开关频率:
fs=200KHz;
●输出电流:
Io=10A;
●输出滤波电感:
Lf=625uH;
●输出滤波电容:
Cf=186uF;
●开关管:
MOSFET,MTD6N15T4G;
●续流二极管:
肖特基,SR150-1;
●采样分压电阻:
Rf1=19KΩ,Rf2=5KΩ;
●参考电压:
Vref=15V;
●补偿网络:
R1=16KΩ,R2=60KΩ,R3=70Ω,C1=1nF,C2=3.5nF,C3=7pF;
●载波信号:
锯齿波Vm=2.4V,T=5us。
4.2Buck变换器闭环仿真电路原理图
图4.1闭环仿真电路原理图
4.3Buck变换器的闭环仿真结果与分析
仿真结果如下图
图4.2输入电压与输出电压波形
图4.3输出电压的纹波
图4.4初始工作时的调节过程
图4.5稳态工作波形
图4.6输入电压变化时输出波形
图4.2为输入电压与输出电压波形。
从图,其调节时间为0.35ms,响应速度很快。
图4.3为输出电压的纹波。
由图得,其纹波电压峰峰值为9mv左右,满足要求。
图4.4为初始工作时调节过程。
图4.5为稳态工作时各波形。
图4.6为输入电压有变化时输出电压波形。
可以看出,通过闭环控制,达到了很好的稳压效果。
小结
通过本次设计,让我知道了理论结合实践的重要性。
在设计过程中虽然遇到了一些问题,但经过一次又一次的思考,一遍又一遍的检查终于找出了原因所在,也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知,通过亲自动手制作,使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改,善莫大焉。
在课程设计过程中,我们不断发现错误,不断改正,不断领悟,不断获取。
最终的检验修改环节,本身就是在践行“过而能改,善莫大焉”的知行观。
这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多问题,最后在不懈的努力下,终于迎刃而解。
在今后社会的发展和学习实践过程中,一定要不懈努力,不能遇到问题就想到要退缩,一定要不厌其烦的发现问题所在,然后一一进行解决,只有这样,才能成功的做成想做的事,才能在今后的道路上劈荆斩棘,而不是知难而退,那样永远不可能收获成功,收获喜悦,也永远不可能得到社会及他人对你的认可!
在设计过程中,总是遇到这样或那样的问题。
有时发现一个问题的时候,需要做大量的工作,花大量的时间才能解决。
自然而然,我的耐心便在其中建立起来了。
为以后的工作积累了经验,增强了信心。
通过这次综合实践,我更加看清了自己的不足之处,巩固了理论知识的学习,提高了实际应用所学知识的能力,还积累了许多宝贵的经验。
课程设计参考资料
1.陈坚.电力电子学#电力电子变换和控制技术=MI.北京:
高等教育出版社,2004.
2.黄海宏,王海欣,张毅.同步整流的基本原理.电气电子教学,2007.2,29卷,1期.
3.王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版)[M].北京:
机械工业出版社,2004.
4.武丽芳,魏艳君.低压大电流同步整流器拓扑综述.电气传动,2006,36卷,8期.
5.陈亚爱,李卫海,周京华.同步Buck变换器的控制技术综述.5电气应用6,2010年29290期.
5.相关芯片数据手册。