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BUCK 变换器设计报告 电力电子装置及应用课程设计 1 设计指标及要求 1.1设计指标 输入电压标称直流48V 范围：43V53V 输出电压：直流24V 输出电流：直流5A 输出电压纹波：100mV 电流纹波：0.25A 开关频率：250kHz 相位裕量：60 幅值裕量：10dB 1.2 设计要求 计算主回路的电感和电容值 开关器件选用MOSFET,计算其电压和电流定额 设计控制器结构和参数 画出整个电路,给出仿真结果 2 BUCK 主电路各参数计算 图 1 利用matlab搭建的BUCK主电路 Mosfet2在 0.01s时导通，使得负载电阻由9.6变为4.8，也就是说负载由半载到满载，稳态时负载电流上升一倍，负载电压不变，这两种状态的转换的过程的表征系统的性能指标。2.1 电感值计算 当时，D=0.558,求得 当时，D=0.5,求得 当时，D=0.453，求得 所以，取 2.2 电容值的计算 代入，得，由于考虑实际中能量存储以及输入和负载变化，一般取C大于该值，取 2.3 开关器件电压电流计算 2.4 开传递函数的确定 其中 故开环传递函数为 3 系统开环性能 3.1 开环传递函数的阶跃响应 由 MATLAB可以作出系统的开环函数的单位阶跃响应，如下图所示 由图可知，系统振荡时间较长，在5ms之后才可以达到稳定值，超调量为66.67%，需要增加校正装置进行校正。3.2 系统开环输出电压电压、电流响应 由 MATLAB simulink作出的系统的输出电压、电流响应如下图所示 图 2 开环电压、电流响应 在 0.01s时负载由9.6变为4.8，电压振荡后不变，电流增大一倍。由图可知电压超调量达到70%，电流超调量达到75%。图 3 负载变化时电流响应图 4 负载变化时点响应 图 3 电流纹波图4 电压纹波 电流纹波约为0.002A，电压纹波为0.01V，符合设计的要求，由于器件本身的压降损耗等因素，电压稳态值不等于24V，电流的稳态值也不等于5A。4 控制系统设计 4.1 控制原理 图 5 闭环控制系统原理 取输出输出信号作为反馈信号，经过校正装置来控制MOSFET的导通和断开，在开关周期一定的情况下控制占空比，实现闭环控制。根据控制信号的不同，有以下两种控制方法：图 6 电压型控制 电压控制型：电压作为反馈信号，经过校正装置与锯齿波比较来控制开关的占空比。图 7 电流型控制 电流峰值控制：用通过功率开关的电流波形替代普通PWM调制电路中的载波信号。4.2 闭环系统结构图 图 8 闭环系统结构图 闭环增益:调节器增益：反馈因子：4.3 调节器类型 积分器 PI 调节器 PID 调节器 积分器：斜率-20db/dec,-90.PI调节器：加入一个零点，局部斜率平坦，并且可提供90的超前相位。PID调节器：加入两个零点，局部斜率上翘，并且可提供180的超前相位。4.4 闭环系统各参数确定 采用电压型控制，取输出电压作为反馈量，选用PID调节器进行调节，并且使用K因子法确定各参数的数值。4.4.1 确定相位裕量 根据设计要求，相位裕量为60，为确保校正成功，取相位裕量为70 4.4.2 确定剪切频率 由于PID调节器可以提供180度相位超前 取。4.4.3 确定 由开环传递函数可以求得当，即 时，由于,所以,可得代入传递函数,可得 4.4.4 各电路参数及的确定 由K因子法公式可得 由公式 可得 进而可得 解得 K=27.75 已知，K=27.75，代入解得 表达式为：代入得 5 系统闭环电路设计 5.1 基于MATLAB的闭环系统 图 MATLAB下系统闭环电路 5.1.1 校正后的bode图 MATLAB作出的校正后的系统bode图 图9 校正前后bode图 利用MATLAB SISOTOOL同样可以作出加入PID调节器系统的bode图 图10 MATLAB SISOTOOL作出的bode图 图中方形点为极点，圆形点为零点，由图中可以直接读出,并可以求得幅值裕量为无穷大，均符合设计要求。5.1.2 系统的闭闭环单位阶跃响应 图11 闭环传递函数的单位阶跃响应 对比开环传递函数的单位阶跃响应图可知，系统响应速度加快，在0.5ms时基本达到稳态值，振荡过程大大缩短。5.1.3 闭环系统输出电压、电流波形 图12 电压响应波形 图13 电流响应波形 图14 负载变化电流响应 图15 负载变化电压响应 电压电流纹波状况如下图所示 图16电流纹波 图 电压纹波 由图可知电压电流响应都明显快于开环系统，振荡的幅度小，振荡时间短。电流纹波约为0.002V，电压纹波约为0.01V，均符合设计标准。5.2 基于psim的闭环电路设计 图 基于PSIM的闭环电路图 在 48V基础上叠加一个频率为 200Hz 6 设计感悟