題目Buck電路的設(shè)計(jì)與仿真

1、XXXXXX大學(xué)計(jì)算機(jī)仿真作業(yè)四實(shí)驗(yàn)報(bào)告書XXXXX題目：Buck電路的設(shè)計(jì)與仿真 1、Buck電路設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一降壓變換器，輸入電壓為20V，輸出電壓5V，要求紋波電壓為輸出電壓的0.5%,負(fù)載電阻10歐姆，求工作頻率分別為 10kHz和50kHz時(shí)所需的電感、電容。比較說明不同 開關(guān)頻率下，無源器件的選擇。解：（1）工作頻率為10kHz時(shí)，A. 主開關(guān)管可使用 MOSFET，開關(guān)頻率為10kHz;B. 輸入20V，輸出5V,可確定占空比 Dc=25%;C. 根據(jù)如下公式選擇電感Lc(1 -Dc)R2(1-0.25) 101210000= 3.75 10H這個(gè)值是電感電流連續(xù)與否的臨界值,L&

2、gt;則電感電流連續(xù)，實(shí)際電感值可選為1.26倍的臨界電感，可選擇為 4.<10H ；C U°(1-Dc)/C = Is =8L：U05 (1-0.25)D. 根據(jù)紋波的要求和如下公式計(jì)算電容值1/.2=4.17 108 4.5 100.005 5 1 0 0 020（2）工作頻率為 50kHz時(shí),A. 主開關(guān)管可使用 MOSFET，開關(guān)頻率為50kHz;B. 輸入20V，輸出5V,可確定占空比 Dc=25%;C. 根據(jù)如下公式選擇電感.(1-Dc)RLc =2Ts二(1-0.25) 101一 250000_4= 0.75 10 H這個(gè)值是電感電流連續(xù)與否的臨界值,L>L

3、c則電感電流連續(xù)，實(shí)際電感值可選為1.2倍的臨界電感，可選擇為0.9X10WH ；D. 根據(jù)紋波的要求和如下公式計(jì)算電容值C=Ts28L *U05 (1-0.25)18 0.9 10' 0.005 5 500002= 0.833 10七分析：在其他條件不變的情況下，若開關(guān)頻率提高n倍，則電感值減小為 1/n,電容值也減小到1/n。從上面推導(dǎo)中也得出這個(gè)結(jié)論。2、Buck電路仿真：利用simpowersystems中的模塊建立所設(shè)計(jì)降壓變換器的仿真電路。輸入電壓為20V的直流電壓源，開關(guān)管選MOSFET模塊（參數(shù)默認(rèn)），用PulseGenerator模塊產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)開關(guān) 管。分別做兩種開

4、關(guān)頻率下的仿真。（一）開關(guān)頻率為 10Hz時(shí)；（1）使用理論計(jì)算的占空比，記錄直流電壓波形，計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流 紋波電壓，并與理論公式比較，驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)。由第一步理論計(jì)算得占空比Dc=25% ;實(shí)驗(yàn)仿真模型如下所示（穩(wěn)態(tài)直流電壓值為4.299V）:直流電壓整體波形如下所示:細(xì)微波形如下所示:計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓：利用Matlab菜單欄的"Desktop”中選中"Worksapce”,并將命名為buck的數(shù)據(jù)組打開，并在 a Variable Editor - buck.signals(1,4).values"下，觀察直流電壓瞬時(shí)值：通過這些數(shù)值可以看

5、出，輸出的穩(wěn)態(tài)直流電壓最大值為4.308628V，最小值 為4.286866V，所以得到 AUo &0.021762V 。Uo 0.0021762=0.005Uo 4.352仿真結(jié)果與理論值基本相同。(2) 畫出電感電流波形，計(jì)算電流波動(dòng)值并與理論公式對(duì)比。電感電流波形如下所示：lb. L0.0769D.O77DQ7710.07720.07730.07750.0774計(jì)算電流波動(dòng)值:利用Matlab菜單欄的"Desktop”中選中"Worksapce”,并將命名為buck的數(shù)據(jù)組打開， 并在 a Variable Editor - buck.signals（1,3）

6、.values"下，觀察電感電流瞬時(shí)值：通過這些數(shù)值可以看出，輸出的電感電流最大值為0.8390A，最小值為0.0076A,所以得到 AL 整 0.8314A。理論計(jì)算如下所示:. .Jl =業(yè)（1 一 Dc）Ts =（1 0.25） =0.833AL4.5 1010000仿真結(jié)果與理論值基本相同。（3）修改占空比，觀察直流電壓值的變化。A.占空比Dc=20%時(shí)，直流電壓的波形值如下所示，大小為 3.418V;B.占空比Dc=50%時(shí)，直流電壓的波形值如下所示，大小為 9.589V ;分析:3.418V9.589V13.95V一 17.09V ； =19.178V ； =19.928

7、6V.隨著占空比的增加，由公式 Uo =USXDC,可知輸出電壓值逐漸增加。（4）將電感改為臨界電感值的一半，運(yùn)行仿真模型（只仿真開關(guān)頻率10k時(shí)的情況，使用理論計(jì)算的占空比）：記錄電感電流波形，觀察不連續(xù)電流的波形；記錄直流電壓波形，計(jì) 算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，與理論公式對(duì)比，并與同一占空比下電流連續(xù)時(shí)的直流電壓值進(jìn)行比較； 計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓，并與理論公式比較（需根據(jù)電流波形計(jì)算D2的大?。?。電感電流波形如下所示（電流出現(xiàn)斷續(xù)）：lb: L從上圖中可以讀到，Dd 乂氣=2.5婦0圭s , Dc2><Ts = 4.5x103s , Ts=10s，得到 Dc1 =0.

8、25, Dc2 =0.45；直流電壓波形如下所示(穩(wěn)態(tài)直流電壓值為6.462V):從上圖中可以讀到，AU。=0.065V ;在同一占空比下連續(xù)電流時(shí)，直流電壓值為4.298V;由連續(xù)電流和斷續(xù)電流下的電壓值相比較，可以看到連續(xù)電流下的直流電壓值較小，斷續(xù)時(shí)的直流電壓值較大。理論公式如下：其中Dci=0.25, J RTs1.875 10里10 10里= 0.1875,Dc20藥 8 仆75* 一 0.2510 10000Dc10.25U。=c1Us 20 =6.67VDc1 Dc2 0.25 0.5可見實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值基本相近。12 = 0.06V 10000理論計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓：_

9、U°(1-Dc1)2_5 (1-0.25)U。_ Ts _-4_48LC8 1.875 104.17 10可見與仿真中得到的 0.065V相近。(二)開關(guān)頻率為 50Hz時(shí)；(1)使用理論計(jì)算的占空比，記錄直流電壓波形，計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流 紋波電壓，并與理論公式比較，驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)。由第一步理論計(jì)算得占空比Dc=25% ;實(shí)驗(yàn)記錄穩(wěn)態(tài)直流電壓值為4.396V ;直流電壓波形如下所示：Lib. R4 傳11111=4 "WWWVWWWWVWWVWVWWWVV'a(£1dD.085006160.08170.03160.0819OffiZ計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流

10、紋波電壓：利用Matlab菜單欄的"Desktop”中選中"Worksapce”,并將命名為buck的數(shù)據(jù)組打開，并在 a Variable Editor - buck.signals(1,4).values"下，觀察直流電壓瞬時(shí)值：通過這些數(shù)值可以看出，輸出的穩(wěn)態(tài)直流電壓最大值為4.405408V，最小值 為4.383011V，所以得到 AUo &0.022397V。Uo 0.022397 = =0.00509Uo 4.396仿真結(jié)果與理論值基本相同。(2)畫出電感電流波形，計(jì)算電流波動(dòng)值并與理論公式對(duì)比。電感電流波形如下所示：1讓日0.6T 0.J.2

11、O.®590.09590.09&Q.K MDJD961睥SI0.09630.162E計(jì)算電流波動(dòng)值：利用Matlab菜單欄的a Desktop ”中選中"Worksapce”,并將命名為buck的數(shù)據(jù)組打開，并在 a Variable Editor - buck.signals(1,3).values"下，觀察電感電流瞬時(shí)值：通過這些數(shù)值可以看出，輸出的電感電流最大值為0.8723A，最小值為0.0100A,所以得到 AR &0.8623A。理論計(jì)算如下所示:-iL =制一項(xiàng)亦指(1-0.25)150000= 0.8333A仿真結(jié)果與理論值基本相同。(3) 修改占空比，觀察直流電壓值的變化。B.占