Исследование понижающего преобразователя постоянного тока (DC-DC Buck Converter)

Лабораторная работа №2

Исследование понижающего преобразователя постоянного тока

(DC-DC Buck Converter)

Цель работы: изучение характеристик понижающего преобразователя постоянного тока, синтез замкнутой системы стабилизации выходного напряжения.

Ход работы:

Принципиальная схема понижающего DC-DC преобразователя представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Принципиальная схема понижающего DC-DC преобразователя

В качестве параметров преобразователя, работающего в режиме непрерывного тока (CCM – Current Continues Mode), выберем следующие значения: L=100 мкГн; C = 697 мкФ; r=0.1 Ом; f_s=100 кГц; V_in = 30 В; P_o=36 Вт. Коэффициент заполнения d поддерживается таким образом, что выходное напряжение преобразователя V_o=12 В.

В режиме непрерывного тока входное V_inи выходное V₀напряжения преобразователя связаны соотношением:

.                                         (2.1)

Зная заданную выходную мощность преобразователя P_o и выходное напряжение V₀, можно вычислить значение сопротивления нагрузки R:

.

Следовательно, имеем R=4 Ом.

2.1. Исследование внешних и регулировочных характеристик преобразователя в режиме непрерывных токов.

Для исследования внешних и регулировочных характеристик преобразователя необходимо собрать схему на рис. 2.2.

Рис. 2.2.

Семейство внешних характеристик представляет собой зависимость V₀(I₀) при d=const. Соответственно, для получения внешних характеристик необходимо при неизменном d варьировать сопротивлением нагрузки R, при этом фиксируя значения выходного напряжения V₀ и выходного тока I₀ преобразователя.

Регулировочной характеристикой называется зависимость V₀(d) при R=const.

2.2. Исследование внешних и регулировочных характеристик преобразователя в режиме прерывистых токов.

Выражение (2.1) показывает, что коэффициент передачи преобразователя по напряжению в режиме непрерывного тока зависит от d, но не зависит от нагрузки. Если выходная нагрузка уменьшается (т.е. увеличивается сопротивление R), то ток через индуктивность L становится прерывистым и справедливость выражения (2.1) нарушается. В таком случае преобразователь переходит в режим прерывистых токов.

Уменьшив в схеме на рис. 2.2 индуктивность L, тем самым добившись перехода преобразователя в режим прерывистых токов, построить регулировочные и внешние характеристики.

2.3. Исследование динамических характеристик преобразователя.

Схема для исследования динамических характеристик преобразователя представлена на рис. 2.3.

Данная модель позволяет получить переходные характеристики преобразователя при скачкообразном изменении управляющего сигнала d (рис. 2.4) и скачкообразном изменении нагрузки R (рис. 2.5).

Рис. 2.4.

Рис. 2.4. Переходная характеристика по управлению

Рис. 2.5. Переходная характеристика по возмущению

2.4. Синтез замкнутой системы управления.

Блок-схема линеаризованной замкнутой системы для регулирования выходного напряжения представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Структура замкнутой системы управления

Контурная передаточная функция системы:

, где G_С(s) – передаточная функция регулятора, G_PWM(s) – передаточная функция ШИМ-контроллера, G_PS(s) – передаточная функция силового каскада, k_FB – коэффициент передачи датчика выходного напряжения (делителя напряжения).

Схемная реализация ШИМ-контроллера дана на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Реализация ШИМ-контроллера

Передаточная функция ШИМ-контроллера:

, где  - малые приращения коэффициента заполнения,  - малые приращения управляющего напряжения,  - амплитуда пилообразного сигнала (рис. 2.8).

Рис. 2.8.

Передаточная функция силового каскада:

.

При определении передаточной функции регулятора G_C(s) цели управления выражаются через характеристики контурной передаточной функции:

1. Частота среза f_c должна быть как можно больше, чтобы обеспечить более быстрое завершение переходных процессов в системе.

2. Запас по фазе на частоте среза должен составлять приблизительно 60° для того, чтобы процессы в замкнутой системе не содержали осцилляций.

3. Фазочастотная характеристика контурной передаточной функции не должна пересекать линию j=-180° до частоты среза.