buck变换器设计报告_buck变换器的设计报告
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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设计指标及要求
1.1设计指标
•输入电压标称直流48V 范围：43V~53V •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
当当当 时，时，时，D=0.558 , 求得，D=0.5 , 求得，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。
由图可知电压超调量达到70%，电流超调量达到75%。
变为4.8，电压振荡后不变，电流增大一倍
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。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600
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。，即，为确保校正成功，取相位裕量为7由开环传递函数可以求得当时，由于递函数,可得
4.4.4 各电路参数及
由K因子法公式可得
由公式的确定,所以,可得代入传
可得
进而可得
解得 K=27.75
已知 代入解得，K=27.75，表达式为：
代入得系统闭环电路设计
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设计感悟
