电力电子课程计划设计.doc
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1、|天 津 理 工 大 学课程设计报告题目:数字式 Buck 变换器系统设计学生姓名 刘磊 学号 20110761 届 2014 班级 11 级 2 班 指导教师 陈鹏 专业 电气工程及其自动化 起始日期 2014 年 6 月 1 日 审核日期 2013 年 6 月 26 日|第一章 课程设计内容和要求1.1 课程设计内容本课程设计要求设计如图 BUCK 变换器主电路,+-VinQfCfLRDUb Uo+-A电路参数如下输入电压:Vin=30VDC;输出性能:Vout=15VDC;Vout(p-p)=0.2v;Iout=10A;当 Iout=0.1A 时,电感电流临界连续。负载电阻:0.1-8
2、欧开关频率:fs=200KHz。控制算法采用 PI 控制,对控制 PI 参数进行整定,进行 MATLAB 进行仿真,说明控制效果。进行程序编制。1.2 课程设计要求1、进行主电路设计,选择滤波电容、电感、MOSFET 等主电路器件。2、进行 PI 控制算法设计。3、进行 MATLAB 仿真。4、设计控制系统电路画出电路图。1.3 课程设计要点、设计步骤1、熟练掌握常用 EDA 设计软件,如 protel 等,进行原理图设计。2、采用 MATLAB 软件进行控制参数的设计。3、根据参数要求设计主电路参数。1.4 主要技术关键的分析、解决思路|1、分析 Buck 变换器基本工作原理及工作模式。2、
3、根据 Buck 变换器性能指标设计主电路参数。3、设计控制系统参数。4、进行仿真分析。第二章 系统设计方案第一节 Buck 变换器技术1.1 Buck 变换器基本工作原理Buck 电路是由一个功率晶体管开关 Q 与负载串联构成的,其电路如 1.1。驱动信号 ub 周期地控制功率晶体管 Q 的导通与截止,当晶体管导通时,若忽略其饱和压降,输出电压 uo 等于输入电压;当晶体管截止时,若忽略晶体管的漏电流,输出电压为 0。电路的主要工作波形如图 1.2。+-V i nQ fCfLRDU bU o+-A图 1.1 Buck 变换器电路U b0A00tttV i nLi LiQ O NQ O f f图
4、 1.2 Buck 变换器的主要工作波形1.2 Buck 变换器工作模态分析|在分析 Buck 变换器之前,做出以下假设: 开关管 Q、二极管 D 均为理想器件; 电感、电容均为理想元件;电感电流连续; 当电路进入稳态工作时,可以认为输出电压为常数。在一个开关周期中,变换器有 2 种开关模态,其等效电路如图 1.3 所示,各开关模态的工作情况描述如下:1 开关模态 0t0t1t0t1对应图 1.3(a)。在 t0 时刻,开关管 Q 恰好开通,二极管 D 截止。此时: dtiLUoi电感中的电流线性上升,式 1-1 可写成: ononmiaxoi TiLiLU2 开关模态 1t1t2t1t2对应
5、图 1.3(b)。在 t1 时刻,开关管 Q 恰好关断,二极管 D 导通。此时: dtiLU0o电感中的电流线性下降,式 1-3 可写成: ofofminaxofmaxino TiiTLU式中 Toff 为开关管 Q 的关断时间。在稳态时, ,联解式 1-2iinf与式 1-4 可得: ioD输出电流平均值: )i21Iomnax(|+-V i nQ fCLRDU bU o+-A图 1.3(a) t0t1+-V i nQ fCLRDU bU o+-A图 1.3(b) t1t2U b0A00tttV i nLi Lit 0 t 1 t 2Q O NQ O f f图 1.3(a) t1t2的主要工
6、作波形U b0A00tttV i nLi Lit 0 t 1 t 2Q O NQ O f f图 1.3(b) t1t2的主要工作波形1.3 Buck 变换器外特性在恒定占空比下,变化器的输出电压与输出电流的关系 Uo=f(io)称为变换器的外特性。式 1-5 表示了电感电流连续时变换器的外特性,输出电压与负载电流无关。当负载电流减小时,可能出现电感电流断续现象。图 1.4 为电感电流断续时电流波形图。由式 1-2 与式 1-4 可知,当输入电压和输出电压一定时, 为常数。由式i|1-6 可见,当负载电流减少到 时, ,此时最小负载电流 ,即0iomniiomaxominI为电感临界连续电流 :
7、 GI 2ii1IomaxoinG由式 1-2 及式 1-5 得 ,带入式 1-7 得:i(式 1-8))D1(L2TUIiG由上式可见,临界连续电流与占空度的关系为二次函数,当 D=1/2 时,临界连续电流达到最大值:(式 1-9)8IiGmax当电感电流断续时,即在 Toff 结束前续流二极管的电流已下降到 0,此时输出的平均电流为:(式 1-10))Tii21TIofono(式中, 为开关管关断后电感电流持续的时间,并且:of(式 1-11)ofofninTUL1i))( 稳态时, ,由式 1-11 得:ofni(式 1-12)onifT将式 1-11 及式 1-12 带入式 1-10
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