BOOST电路设计与仿真设计319.pdf

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1、.目 录 一.Boost 主电路设计：.2 1.1 占空比 D 计算.2 1.2 临界电感 L 计算.2 1.3 临界电容 C 计算（取纹波 VppLc，在此选 L=4uH 1.3 临界电容 C 计算（取纹波 VppCc，在此选 C=100uF.1.4输出电阻阻值 R=9.68 Boost 主电路传递函数Gvd（s）占空比 d（t）到输出电压 Vo（t）的传递函数为：()=(1)(1（1D)2)2+()+(1)2 ()=47.96(18.7106)410102+4.13107+0.048 二.Boost 变换器开环分析 2.1 PSIM 仿真 电压仿真波形如下图.电压稳定时间大约 1.5 毫秒

2、，稳定在 220V 左右 电压稳定后的纹波如下图 电压稳定后的纹波大约为 2.2V 电流仿真波形如下图.电流稳定时间大约 2 毫秒，稳定在 22A 左右 电流稳定后的纹波如下图 2.2 Matlab 仿真频域特性 设定参考电压为5V，则()=，()=系统的开环传递函数为()=()()()(),其中()=，()=.由上图可得，Gvd(s)的低频增益为-60dB，截止频率 fc=196KHz，相位裕度-84.4，相位裕度过小，高频段是-20dB/dec。系统不稳定，需要加控制电路调整。1、开环传递函数在低频段的增益较小，会导致较大的稳态误差 2、中频段的剪切频率较小会影响系统的响应速度，使调节时间

3、较大。剪切频率较大则会降低高频抗干扰能力。3、相角裕度太小会影响系统的稳定性，使单位阶跃响应的超调量较大。4、高频段是-20dB/dec,抗干扰能力差。将()=，()=代到未加补偿器的开环传递函数中。则()=()()()(),其中()=未加补偿器的开环传递函数如图 .三.Boost 闭环控制设计 3.1 闭环控制原理 .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 PWM 调制后控制开关管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。令 PWM 的载波幅值等于 4，则开环传递函数为 F（s）=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)3.2 补偿网络的设

4、计（使用 SISOTOOL 确定参数）原始系统主要问题是相位裕度太低、穿越频率太低。改进的思路是在远低于穿越频率fc 处，给补偿网络增加一个零点 fZ，开环传递函数就会产生足够的超前相移，保证系统有足够的裕量；在大于零点频率的附近增加一个极点 fP，并且为了克服稳态误差大的缺点，可以加入倒置零点 fL，为此可以采用如图 4 所示的 PID 补偿网络。根据电路写出的 PID 补偿网络的传递函数为：()=(+)(+)(+)式中：=+，=，=，=+在此我们通过使用 Matlab 中 SISOTOOL 工具来设计调节器参数,可得:零点频率 =.极点频率 =倒置零点频率 =直流增益 =.首先确定 PID

5、 调节器的参数，按设计要求拖动添加零点与极点，所得参数如图.加入 PID 之后，低频段的增益抬高，稳态误差减小，如图 闭环阶跃响应曲线如下图 .幅值裕度为：GM=6.81dB，相角裕度：PM=49.6，截止频率：fc=10KHz 高频段 ffp，补偿后的系统回路增益在 fc 处提升至 0dB，且以-40dB/dec 的斜率下降，能够有效地抑制高频干扰。3.3 计算补偿网络的参数 由 sisotool得到补偿网络的传递函数为：GC(s)=2784.7(1+0.0001s)(1+0.00027s)s(1+2107s)由前面可有补偿网络的传递函数为：()=(+)(+)(+)对比两式可得，假设补偿网络

6、中 Ci=1F 依据前面的方法计算后，选用Rz=270，Rp=0.2，Rf=75.24，Cf=1.33uF。四修正后电路 PSIM 仿真（1）额定输入电压，额定负载下的仿真.电压响应如下图 电压稳定时间大约为 2 毫秒，稳定值为 220V，超调量有所减少，峰值电压减小到了 260V.稳定后的电压纹波如下图（电压纹波大约为 2.2V）.电流纹波如下（电流纹波大约为 0.07A）验证扰动 psim 图 .（2）额定输入电压下，负载阶跃变化 0-3KW-5KW-3KW 电压响应曲线如下图 电压调节时间大约 1ms，纹波不变大约为 2.2V。由此可见，输出电压对负载变化的反应速度很快且输出电压稳定。电流响应曲线如下图 （3）负载不变（3KW），输入电压阶跃变化 48-36V 输入电压从 48V 变到 36V 时的电压响应如下图.输出电压的局部放大图像如下图 由上图可知，输出电压调节时间大约为1ms，而且稳压效果好。五设计体会 通过 BOOST 变换器的设计，可以看出闭环控制的稳压及抑制干扰的作用。在设计补偿电路可用 sisotool 电路特性进行修正，从而得到较为理想的幅值裕度、相角裕度和闭环阶跃响应，从而提高 PID 的调节性能。.