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基于PSIM的BUCK闭环电路设计

时间:2022-09-17 22:30:01 直流大电容需要软起动

文章目录

  • 前言
  • 一、设计指标及要求
  • 二、主回路电容电感值
  • 三、选择开关设备
  • 四、控制器结构及参数
    • 1、主电路开环传输函数:
    • 2、补偿环节Gc(s)采用类型3——PID调节器
    • 3、PSIM仿真
    • 四、阶跃实验结果
  • 五、电路改进
  • 总结


前言

本文是电力电子技术DCDC变化器中的BUCK,主要采用PSIM模拟适用于需要设计此变换器的学生。


一、设计指标及要求

BUCK变换器的相关指标如下:
输入电压:标称直流488V,范围: 43V~53V
输出电压:直流25V, 4A
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
设计要求:
1)计算主电路的电感和电容值
2)
选择开关设备MOSFET,计算其电压和电流定额
3)设计控制器结构和参数
4)画出整个电路,给出模拟结果、分析和结论

二、主回路电容电感值

电感值计算:
在这里插入图片描述

电容值计算:

实际上,考虑到能量储存、输入和负载变化的影响,C值一般大于计算值。故取120uF,此外Resr=50毫欧.

三、选择开关设备

额定电压:直流电源的输入电压为43-53V,因此,漏源最大电压为20%-30%,这里取20%Un=63.6

额定电流:其尖峰电流Imax=4.25A,选择20%的裕量,In=5.1A

四、控制器结构及参数

1、主电路开环传输函数:


获得代入:
用PSIM模拟得到波特图

根据三频段法,低、中、高频段不符合我们的要求。



若锯齿波的幅值为1V,,则得R1=4000欧,Rbias=1000欧,故Gpwm=1,H(s)=1/5原始得回路增益不考虑调节器T0=Gvd(s)GpwmH(s),波特图与Gvd得波特图相似,其幅频特性曲线向下平移,分析相似,仍不符合要求,因此引入调节器。

2、补偿环节Gc(s)采用类型3——PID调节器








(1)确定相位裕度:取60°
(2)确定剪切频率fc:PID最大增益为180°,故总有90°相位裕量。所以不管fc取多少,其相位裕量总大于60°,fc系统响应速度越大,但速度越快fc过大,开关频率过高,造成开关损耗大等缺点。因此,有必要妥协考虑。在这里取fc=10KHZ.
(3)确定Gb:开环函数在fc处的增益为13.5892db=4.78064.
(4)计算K: 根据此表达式使用matlab即可计算出K=13.557.


(5)确定零极点:

(6)确定参数:
采用matlab解方程可获得五个参数

3、PSIM仿真



电压稳定时间约为1ms,其电压值稳定在25V,峰值电压为33.86V,

稳定电压纹波1.1262mV。

电流纹波1稳定后.8082mA。

四、阶跃实验结果

从满载——半载——满载



从满载到半载,电压略微变大,稳定时间大约在0.4ms
从半载到满载,电压略微变小,稳定时间大约在0.4ms

五、电路改进

由前文可知,其超调为35.44%,在实际中的器件一般无法承受,故不实用,这里采用软起动方法,其原理是让参考电压从零开始缓慢增加。


其超调几乎没有。


总结

总的来说,设计BUCK闭环调节器,用到的技能还是非常多的,如果能够自己做一遍,收获还是蛮大的,当然博主的能力有限,如果有错误请大家在评论区指出,欢迎大家积极讨论!
如果有需要,可以下载PSIM的仿真电路。https://download.csdn.net/download/qq_40890957/13194096

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