电力电子课程设计

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，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+-VinQfCfLRDUbUo+-A1、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。+-VinQfCfLRDUbUo+-A图1.1Buck变换器电路Ub0AU00tttVinLiLiQONQOff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：dtdiLUUoi电感中的电流线性上升，式1-1可写成：onononominomaxoiTiLTiiLUU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：dtdiLU0o电感中的电流线性下降，式1-3可写成：offoffoffominomaxoffomaxominoTiLTiiLTiiLU式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时，iiionoff，联解式1-2与式1-4可得：ioDUU输出电流平均值：)ii21Iominomaxo（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，i为常数。由式1-6可见，当负载电流减少到0iomin时，iiomax，此时最小负载电流ominI，即为电感临界连续电流GI：2ii21IIomaxominG由式1-2及式1-5得i，带入式1-7得：)D1(DL2TUIiG（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：L8TUIiGmax（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：)TiTi21T1I'off'offonono（（式1-10）+-VinQfCfLRDUbUo+-A图1.3(a)[t0~t1]+-VinQfCfLRDUbUo+-A图1.3(b)[t1~t2]Ub0AU00tttVinLiLit0t1t2QONQOff图1.3(a)[t1~t2]的主要工作波形Ub0AU00tttVinLiLit0t1t2QONQOff图1.3(b)[t1~t2]的主要工作波形式中，'offT为开关管关断后电感电流持续的时间，并且：'offo'offonoionTUL1iT)UUL1i）（（（式1-11）稳态时，'offonii，由式1-11得：onooi'offTUUUT（式1-12）将式1-11及式1-12带入式1-10得：ooi2GmaxoUUUD4I/I（式1-13）即：）2GmaxoioDI4/(I11U/U（式1-14）0TonToff'offTLit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A2.0I2iominminL。在Q关断时，由式1-4得：sLminminoLminoff(max)of(max)fi)D1UiTUL（=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0io，即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量，电容在2/T2/)T(Toffon时间间隔内充放电，电容充电的平均电流：)D1(L4TU4i4iIfoLcc（式2-8）电容峰峰值纹波电压为：)D1(fC8LUdtIC1U2sffo2/T0cfc（式2-9）因此，得：c2sfofUfL8)D1(UC（式2-10）取v5.0VU)p-p(outc，D=0.5时，Cf的值最大。即：F1860.2v）KHz200（H5.628)5.01(V15C2f(max)（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A1.102/%20A10A102/iIIoQp）（，其开关频率为KHz200f，因此选用的MOSFET管，其额定值为A15/30V。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A10Io时，二极管电流的有效值为A07.7.501A10D1IIoD；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。+-VinQfCfLRDUoAH(s)Vref+-Gc(s)脉宽调制图3.1Buck电路闭环控制基本原理图Gc(s)1/VmGvd(s)Gvg(s)Zout(s)H(s))s(refV^)(v^se)(v^sc)(d^s)(v^s)()s(Hv^s)(v^sg)(i^sload+++--环路增益：T(s)=H(s)Gc(s)Gvd(s)/VmT(s)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+-VinQfCfLRDUbUo+-A在CCM情况下，占空比（d）到输出电压（Vo）的小信号传递函数为：200zcgvd/sQ/s1/s1V)s(G（式4-1）其中，fzpfczcfLzLfcLf0ff0RC1CRLR,]CRRR/L[1Q,CL1，，）（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。11030.010.1110100110311041105110611071108100500Gvd(s)的幅频gvdf()f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。11030.010.1110100110311041105110611071108150100500Gvd(s)的相频f()f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-