电力电子Buck电路课程设计实验报告

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I1引言·····················································································12PWM控制器设计·······································································12.1PWM控制的基本原理··························································································12.2控制电路设计··································································································33buck变换器主电路设计·····························································53.1主电路分析·····································································································53.2反馈回路设计··································································································74buck变换器控制器设计·····························································74.1系统分析········································································································74.2控制器设计······································································································94.3控制器实现····································································································114.4结果············································································································125问题和总结··········································································12参考文献：·············································································13附录：···················································································141Buck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-DCConverter）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（DCChopper），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offt，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onoonofftuEtt。输出电压小于电源电压，起到降压的作用[2]。2PWM控制器设计本组设计要求：BuckDC/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)。2.1PWM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2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32.2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4PWM控制原理图和工作波形反馈信号dU接误差放大器的同相输入端，给定信号dU接误差放大器的反相输入端，与dU产生误差信号cou与锯齿波stu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cou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oU就会随之增大。cou减小，开关控制信号的占空比也减小，输出电压平均值oU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4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。53buck变换器主电路设计3.1主电路分析系统框图如下：图6Buck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yyxRRR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0sUV即作出相应的调整,来消除偏差。6本组控制要求为：BuckDC/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：218oosVVLCf5%103.0610LC073.0610CF纹波连续：(1)2VoVsRLfs120R纹波电流：(1)ssViLf。瞬时电流（最大电流）：0.5oViR30R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073.0610CF电阻30120R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gR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71,9号仍然短接）。理论上R两端最大平均电压应该为（250.4）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33F，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yxyRRR为0.2。取Ry为1K欧姆，Rx为4K欧姆。yR一端接地。4buck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。8开环下，传递函数Gvd为：022111gvdVVGLLSSLCSSLCRR带入数据得：5722012.128103.310vdGSS原始回路增益函数0G为：021()()()1ygmvdxymRVGHsGsGsLRRVSSLCR带入数据得：057257211201.2553.212.128103.31012.128103.310GSSSS用MATLAB得开环下系统的伯德图为：图9开环传递函数0G的伯德图9由MATLAB得：图10开环传递函数0G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^-72.128*10^-51];G=tf(num,de