电力电子课程设计

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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，+-VinQfCfLRDUbUo+-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欧开关频率：fs=200KHz。控制算法采用PI控制，对控制PI参数进行

2、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、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。第一章系统设计方案第

3、一节Buck变换器技术1.1Buck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。图1.1Buck变换器电路图1.2Buck变换器的主要工作波形1.2Buck变换器工作模态分析在分析Buck变换器之前，做出以下假设：①开关管Q、二极管D均为理想器件；②电感、电容均为理想元件；③电感电流连续；④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

4、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0[t0~t1][t0~t1]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：电感中的电流线性上升，式1-1可写成：2开关模态1[t1~t2][t1~t2]对应图1.3（b)。在t1时刻，开关管Q恰好关断，二极管D导通。此时：电感中的电流线性下降，式1-3可写成：式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时，，联解式1-2与式1-4可得：输出电流平均值：图1.3(a)[t0~t1]图1.3(b)[t1~t2]图1.3(a)[t1~t2]的主要工作波形图1.3(b)[

5、t1~t2]的主要工作波形1.3Buck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1-6可见，当负载电流减少到时，，此时最小负载电流，即为电感临界连续电流：由式1-2及式1-5得，带入式1-7得：（式1-8）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）当电感

6、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）式中，为开关管关断后电感电流持续的时间，并且：（式1-11）稳态时，，由式1-11得：（式1-12）将式1-11及式1-12带入式1-10得：（式1-13）即：（式1-14）图1.4电感电流断续时电流波形可见在电流断续区，输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关，而且与负载电流有关。第二节Buck变换器参数设计2.1Buck变换器性能指标输入电压：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

7、。开关频率：fs=200KHz。2.2Buck变换器主电路设计2.2.1占空比D根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比的变化范围：D=Uo/Ui=15/30=0.5（式2-1）2.2.2滤波电感Lf（1）滤波电感量Lf计算变换器轻载时，如果工作在电流连续区，那么为了保持一定的输出电压，占空比大为减小，也就是说开关管导通时间很短。如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大，因此希望变换器工作在电感电流连续状