BUCK变换器及其控制技术的研究
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BUCK 变换器及其控制技术的研究
一、 实验目的
1、 理解开环、电压单闭环和电压电流双闭环控制策略的原理，完成系统闭环控制调试；
2、 建立变换器的模型，通过仿真和实验掌握电压和电流调节器的参数设计方法；
3、 验证BUCK变换器的输入输出波形特性，PWM波形，及输入输出数量关系，加深对BUCK变换器连续和断续工作模态下的工作原理及特性的理解。
二、 实验内容
熟悉SG3525的原理及使用方法，理解PWM波产生过程；研究BUCK变换器开环、电压闭环、电压电流双闭环状态下电路各器件，包括功率管、二极管、电感电压电流工作情况，输入输出电量关系，控制电路参数对变换器的性能的影响。观察电压纹波，观察不同电感、频率和负载对电流连续点的影响。理解BUCK变换器闭环控制过程，掌握闭环性能指标。
变换器的基本要求如下：
输入电压：20~30V
输出电压：15V（输出电压闭环控制时）
输出负载电流：0.1~1A
工作频率：50kHz
输出纹波电压：≤100mV
三、 实验仪器
序号 仪器设备名称 数量
1 BUCK变换器主电路实验挂箱 1
2 BUCK变换器控制电路实验挂箱 1
3 线性稳压电源 1
4 示波器 1
5 数字万用表 1 6 电压表
2
7 电流表
2
8 负载 1
四、 实验原理
1) BUCK主电路原理图（图1）
图1. BUCK主电路原理图
2) 控制电路SG3525内部结构框图（）
图2. SG3525内部结构框图
五、 实验步骤
1、 将BUCK变换器挂箱的所有开关关闭后再接线。
2、 控制电路接20V直流电压，调节电位器RW1，用示波器观察并记录占空比为某一定值时SG3525 各管脚波形及驱动电路输出波形。注意观察SG3525 的9脚、5脚波形和输出波形之间的关系，理解SG3525 芯片PWM 波产生过程。调节RW2观测PWM波频率的变化，通过测得的PWM波计算PWM波频率。
3、 控制电路接20V直流电压，主电路接6-30V可调直流电压，可控制开关S4打在开环状态。当将开关打在单环时，电路工作在单电压环控制模式下，打在双环时，电路工作在电压电流双环控制模式下。分别观察三种控制模式下SG3525各管脚波形及驱动电路输出波形。
（一）. 开环状态
（1）. 电感电流连续情况：
打开主电路电源，使主电路工作电压为25V，观察电感支路的电流波形，调节负载，使电感工作在电流连续情况下。用示波器观察并记录占空比为某一定值时场效应管漏源极与栅级间电压波形及它们之间的关系，理解场效应管的工作原理。
观察并记录电感支路、场效应管支路、二极管支路的电流波形，观测电感两端、二极管两端、负载两端的电压波形，理解变换器工作原理。
观测主电路输出电压随占空比D的变化情况，画出曲线，理解主电路的工作原理。
用示波器交流档观察输出电压纹波⊿UPP。
观测变换器的外特性
（2）. 电感电流断续情况：
改变负载，使电感电流断续，观测场效应管漏源极波形情况，观测电感支路、场效应管支路、二极管支路的电流波形，观测电感两端、二极管两端、负载两端的电压波形，理解工作过程。
观测主电路输出电压随占空比D 的变化情况，理解主电路的工作原理。
（3）. 重新选择主电路电感观测波形：
把L1、L2同时串入主电路中观测电感电流连续点变化情况。
（4）. 观察二极管波形的吸收电路对二极管波形的影响。
把二极管波形的吸收电路和二极管连在一起，观察二极管两端波形尖峰情况的变化。
（5）. 变频观察电感电流连续点变化情况。
调节RW1 使频率f=50KHz，调节负载，使电感电流波形处于临界连续状态，调节频率，当电感电流波形由临界连续变为断续时记录此时频率值，思考频率变化对电感电流连续点的影响。 （二）. 闭环状态
（1）. 单电压环控制模式
打到闭环单环控制状态。调节电位器RW1，使主电路输出电压达到15V。
调节主电路输入电压由20V 变到30V，观测占空比的变化及输出电压变化值。以此观察输出电压的稳定性，理解闭环控制原理。
将输入电压重新调到25V（输出仍为15V），改变负载阻值，观察并记录输出电流与电压的变化关系。
改变PI调节器参数，突加突卸负载，观察输出电压波形动态变化过程。
（2）. 电压电流双环控制模式
打到双闭环控制状态。调节电位器RW1，使主电路输出电压达到15V。调节主电路输入电压由20V变到30V，观测占空比的变化及输出电压变化值。以此观察输出电压的稳定性，理解闭环控制原理。
将输入电压重新调到25V（输出仍为15V），改变负载阻值，观察并记录输出电流与电压的变化关系。
改变PI调节器参数，突加突卸负载，观察输出电压波形动态变化过程。
六、 实验数据
主电路输出电压随占空比D的变化情况
实验条件 电感电流连续，开关频率20kHz，输入电压25V。
占空比D 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
理论输出电压Uo/V 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20
实际输出电压Uo/V 5.02 7.26 9.36 11.9 14.4 16.8 18.3
输出电压误差e/V 0.02 -0.24 -0.64 -0.6 -0.6 -0.7 -1.7
经验证，在误差允许范围内符合inoUDU。
七、 仿真
（一）. Matlab仿真
（1）. 单电压环控制原理图（图3）（PID调节器：比例系数为2.05，积分时间为80.5微分时间为0）
图3. 单电压环控制Matlab仿真图
图4. 输出电压波形
在闭环控制中，输出一定时（电路其它参数不变），改变输入电压，输出电压基本不变，只是纹波程度不同。占空比随输入电压的增大而变小。
（2）. 电压电流双闭环控制原理图（图5）（电压调节器：比例系数为3，积分时间为100，微分时间为0:；电流调节器：比例系数为3，积分时间为95，微分时间为0）
图5. 电压电流双闭环控制Matlab仿真图 （二）. Saber仿真
（1）. Saber仿真图（图6）
图6. saber仿真图
（2）. 连续模态
1) 连续状态电感电流波形图（图7）
图7. 连续状态电感电流波形
2) 连续状态输入输出电压波形图（图8）
图8. 连续状态输入输出电压
（3）. 断续模态
1) 断续状态电感电流波形图（图9）
图9. 断续状态电感波形
2) 断续状态输入输出电压波形图（0）
图10. 断续状态输入输出电压波形
八、 分析与讨论
1、 结合小信号建模、MATLAB仿真和实验，对BUCK变换器进行分析，总结出变换器电压单环和电压电流双闭环工作时电压电流调节器参数的设计原则。
答：小信号建模时，交流小信号频率gf应远远小于开关频率sf；变换器的转折频率of（LC谐振频率）远远小于开关频率sf；电路中各变量的交流分量的幅值远小于想用的直流分量。有时为化简模型，需要忽略开关频率及其边带、开关频带谐波与其边带。
2、 比较电压单环和电压电流双闭环工作时变换器的动静态特性。
3、 结合SABER仿真和实验，研究主电路电感电流连续和断续工作状态下变换器的工作波形、输入输出的基本电量关系、变换器效率等问题，并和理论分析进行比较。
答：在开环状态时：在连续状态时，输出仅于占空比有关；在断续状态时，输出与占空比、负载电流均有关。
电压环控制时：输出电压不受负载的影响，输出稳定。
实际降压式变换器滤波电感存在着线圈电阻，开关有压降，为了简化，可认为晶体管饱和压降与二极管正向压降相等，并用晶体管的饱和电阻代替，与电感线圈电阻之和用R表示。
当LR远大于周期T时，电感电流脉动很小，即纹波电压较小，oioUDURI，即输出电压随负载电流的增加会下降。
在实验中由于一些不可避免的损耗，所得到的波形图还是与理论值有一定的差别，但在误差范围内事可以接受的，可以在一定范围内显示Buck电路的基本工作原理。
