1、 波形111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111BUCK變換器設(shè)計報告電力電子裝置及應(yīng)用課程設(shè)計1 設(shè)計指標(biāo)及要求1.1設(shè)計指標(biāo)輸入電壓標(biāo)稱直流48V 范圍：43V53V輸出電壓：直流24V輸出電流：直流5A輸出電壓紋波：100mV電流紋波：0.25A開關(guān)頻率：250kHz相位裕量：60幅值裕量：10dB1.2 設(shè)計要求計算主回路的電感和電容值開關(guān)器件選用MOSFET, 計算其電壓和電流定額設(shè)計控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)畫出整個電路, 給出仿真

2、結(jié)果2 BUCK主電路各參數(shù)計算圖1 利用matlab搭建的BUCK主電路Mosfet2在0.01s時導(dǎo)通，使得負(fù)載電阻由9.6變?yōu)?.8，也就是說負(fù)載由半載到滿載，穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流上升一倍，負(fù)載電壓不變，這兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的過程的表征系統(tǒng)的性能指標(biāo)。2.1 電感值計算當(dāng)時，D=0.558 , 求得當(dāng)時，D=0.5 , 求得當(dāng)時，D=0.453，求得所以，取2.2 電容值的計算代入，得，由于考慮實(shí)際中能量存儲以及輸入和負(fù)載變化，一般取C大于該值，取2.3 開關(guān)器件電壓電流計算2.4 開傳遞函數(shù)的確定其中 故開環(huán)傳遞函數(shù)為3 系統(tǒng)開環(huán)性能3.1 開環(huán)傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)由MATLAB可以作出系統(tǒng)的開環(huán)

3、函數(shù)的單位階躍響應(yīng)，如下圖所示由圖可知，系統(tǒng)振蕩時間較長，在5ms之后才可以達(dá)到穩(wěn)定值，超調(diào)量為66.67 波形666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666%，需要增加校正裝置進(jìn)行校正。3.2 系統(tǒng)開環(huán)輸出電壓電壓、電流響應(yīng)由MATLAB simulink作出的系統(tǒng)的輸出電壓、電流響應(yīng)如下圖所示圖2 開環(huán)電壓、電流響應(yīng)在0.01s時負(fù)載由9.6變?yōu)?.8，電壓振蕩后不變，電流增大一倍。由圖可知電壓超調(diào)量達(dá)到70%，電流超調(diào)量達(dá)到75%。

4、圖3負(fù)載變化時電流響應(yīng)圖4負(fù)載變化時點(diǎn)響應(yīng)圖3 電流紋波圖4 電壓紋波電流紋波約為0.002A，電壓紋波為0.01V，符合設(shè)計的要求，由于器件本身的壓降損耗等因素，電壓穩(wěn)態(tài)值不等于24V，電流的穩(wěn)態(tài)值也不等于5A。4 控制系統(tǒng)設(shè)計4.1 控制原理圖5 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理取輸出輸出信號作為反饋信號，經(jīng)過校正裝置來控制MOSFET的導(dǎo)通和斷開，在開關(guān)周期一定的情況下控制占空比，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。根據(jù)控制信號的不同，有以下兩種控制方法：圖6 電壓型控制電壓控制型：電壓作為反饋信號，經(jīng)過校正裝置與鋸齒波比較來控制開關(guān)的占空比。圖7 電流型控制電流峰值控制：用通過功率開關(guān)的電流波形替代普通PWM調(diào)制電路中的載

5、波信號。4.2 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖8 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)增益:調(diào)節(jié)器增益：反饋因子：4.3 調(diào)節(jié)器類型積分器 PI調(diào)節(jié)器 PID調(diào)節(jié)器積分器：斜率-20db/dec, -90.PI調(diào)節(jié)器：加入一個零點(diǎn)，局部斜率平坦，并且可提供90的超前相位。PID調(diào)節(jié)器：加入兩個零點(diǎn)，局部斜率上翹，并且可提供180的超前相位。4.4 閉環(huán)系統(tǒng)各參數(shù)確定采用電壓型控制，取輸出電壓作為反饋量，選用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且使用K因子法確定各參數(shù)的數(shù)值。 確定相位裕量根據(jù)設(shè)計要求，相位裕量為60，為確保校正成功，取相位裕量為70 確定剪切頻率 由于PID調(diào)節(jié)器可以提供180度相位超前取 。 確定由開環(huán)傳遞函數(shù)可以求得

6、當(dāng)，即 時，由于,所以,可得代入傳遞函數(shù),可得 各電路參數(shù)及的確定由K因子法公式可得由公式可得進(jìn)而可得解得 K=27.75已知 ，K=27.75，代入解得表達(dá)式為：代入得5 系統(tǒng)閉環(huán)電路設(shè)計5.1 基于MATLAB的閉環(huán)系統(tǒng)圖 MATLAB下系統(tǒng)閉環(huán)電路 校正后的bode圖 MATLAB作出的校正后的系統(tǒng)bode圖圖9 校正前后bode圖利用MATLAB SISOTOOL同樣可以作出加入PID調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的bode圖圖10 MATLAB SISOTOOL作出的bode圖圖中方形點(diǎn)為極點(diǎn)，圓形點(diǎn)為零點(diǎn)，由圖中可以直接讀出,并可以求得幅值裕量為無窮大，均符合設(shè)計要求。 系統(tǒng)的閉閉環(huán)單位階躍響應(yīng)圖11 閉環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)對比開環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)圖可知，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，在0.5ms時基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，振蕩過程大大縮短。 閉環(huán)系統(tǒng)輸出電壓、電流波形圖12 電壓響應(yīng)波形圖13 電流響應(yīng)波形圖14 負(fù)載變化電流響應(yīng) 圖15 負(fù)載變化電壓響應(yīng)電壓電流紋波狀況如下圖所示圖16電流紋波 圖 電壓紋波由圖可知電壓電流響應(yīng)都明顯快于開環(huán)系統(tǒng)，