专业综合课程设计报告77029new

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1、专业综合课程设计报告电气10-3巩英才1010420304设计要求：设计Buck变换器：输入电压=15-18V，输出电压=12V，输出电流0-1A，输出纹波电压≤100mV。电流连续模式下Buck电路小信号模型：要对Buck电路建模，即用线性时不变的方程表示电路参数间的关系，首先要解决以下问题：1）在静态工作点附近用线性关系近似代替变量间的非线性关系，使各小信号分量之间可以用线性方程描述；2）每个周期分开关管导通和关断两种工作状态来研究，每个工作状态中参数关系时不变。Buck电路一个开关周期的两个阶段：①开关导通时，[t，t+dTs]，电感充电，等效电路如图2；②开关关断时，[t+

2、dTs，t+dTs]，电感放电，等效电路如图3。10阶段1中，电感两端电压为：。。。。（1）通过电容的电流为：。。。。。（2）阶段2中，电感两端电压为：。。。。。。。（3）通过电容的电流为：。。。。（4）采用求变量平均值法，引入开关周期平均的概念。变量在开关周期内的平均值为：。所以，电感电压在一个开关周期的平均值为：如果输入电压连续，且在一个开关周期中变化很小，类似的，由于输出电压连续，在一个开关周期中变化也很小，因此：在对应区间内，、可近似用开关周期平均值和表示。所以有：将（6）、（7）式带入（5）式，得到：（8）10根据电感特性方程经过开关周期平均算子作用后形式不变性原理，得：

3、同理可得，电容电流开关周期平均值为：由Buck变换器输入电流为得输入电流开关周期平均值为：取Buck变换器工作在某一静态工作点时的稳态占空比，稳态输入电压，电感电流、电容电压和输入电流的稳态值分别为、、。当电路达到稳态时，应用电感电压伏秒平衡原理，由（9）式得：应用电容电荷平衡原理，由（10）式得：由（11）式知，在静态工作点附近，各参数实际状态可以表示为上述稳态值上叠加一个小的扰动信号。输入电压和占空比可表示为：上述扰动信号同食会引起Buck电路中其他参量产生微小扰动：10将（15）~（19）式代入（9）电感开关周期平均方程，得：忽略二阶扰动项，代入稳态分量关系（12）~（14式

4、），则上式化简为：将（15）~（19）式代入（10）电容开关周期平均方程，得：同理化简得：将（15）~（19）式代入（11）输入电流开关周期平均方程，得：即：上述（20）、（21）、（22）式即为Buck变换器线性化小信号模型。由于闭环控制器通过控制开关的导通与关断控制输出电压，所以开环传递函数应为占空比对输出电压的传递函数。联立（20）、（21）既得：主电路主要元器件参数选择：电感参数选择10为保证变换器只工作在一种导电模式下，即使其工作在连续导电模式，则有：电感。为满足设计要求，取开关频率，负载（保证电流在0.4~1A时工作在连续模式下）。代入，即可得。取电感。电容参数选择稳态

5、时，电容在一个周期内不断充放电，且充放电时间相同即。输出电压直接与电容并联，所以，近似认为电感电流线性上升，。图4结合图4计算三角形面积可得输出电压纹波峰值电压为：取电容。开关管的选择10MOS管的选择会影响系统的效率。综合考虑开关频率、反向耐压、最大电流等条件选择。由于P-MOS当门级给低电平驱动电压时导通，易于实现，此处Buck电路选用P沟道MOS管。闭环控制器设计：为保证输出电压满足要求，需对输出电压闭环控制，控制器可设计为“双零双极”形式、PID等控制器。为简化控制器设计，且能较好的完成实验任务，本文采用PI控制器，设计电压闭环。图5电压闭环原理框图如图5所示，采集输出电压

6、Vc并与输出给定Vref相比较，得输出误差信号作为PI调节器的输入，经过PI调节后，与幅值为Vm的三角波比较，比较器输出为占空比D的PWM波，经MOS管驱动电路后可驱动P-MOS开通与关断，当系统稳定后，可实现输出无静差。PI调节器的优良主要取决于PI参数是设计。本文采用Matlab软件的“SISOTOOL”工具，首先将开环传递函数导入“SISOTOOL”10中，再添加一个原点处的极点和一个零点，最后拖动调节零点位置和增益直到系统Bode图满足设计要求。开环系统和闭环系统Bode图如图6（a）、（b）所示，图中还示出了幅值裕度、相位裕度、控制器C(s)等重要信息。图6（a）开环系统

7、bode图图6（b）控制器及闭环系统Bode图由上图可得，PI调节器传递函数为：。仿真：10应用电路仿真软件Psim，可方便实现电路仿真。在Psim中，添加电感、电阻等基本电路元件，用电阻分压采样输出电压，经由电阻、电容和运放构成的PI控制器，电压比较器，驱动后，送回mos管，构成闭环，其闭环电路图和仿真波形如图7（a）、（b）所示。图7（b）输出电压和电感电流波形10图7（a）所示电路图中给出了所设计Buck电路各元件参数。同时，在PI控制器上，设计中增加了软启动环