BUCK電路的Saber仿真.

1、功率變換器計(jì)算機(jī)仿真與設(shè)計(jì)題 目buc換器電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名專 業(yè)電氣工程及自動化指導(dǎo)教師2013 年10月20日南京航空航天大學(xué)一、設(shè)計(jì)要求1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)BUCKft流變換器，主電路拓?fù)淙鐖D1.1 （參數(shù)需重新設(shè)置），使得其滿足以下 性能要求：高壓側(cè)蓄電池輸入電壓 Vin : 30-60V（額定電壓48V）低壓側(cè)直流母線輸出電壓Vout： 24V輸出電壓紋波 Vout（p-p）: 25mV輸出電流世：2A開關(guān)頻率fs： 200kHz電感電流臨界連續(xù)時(shí)Ig： 0.1A12圖1.1-16 -二、開環(huán)參數(shù)計(jì)算及仿真2.1主電路參數(shù)計(jì)算:(1)高壓側(cè)輸入電壓Vn變化范圍為30-60V,低壓側(cè)

2、輸出電壓Vout為24V,則占空比:DmaxU 空=0.8Vinmin30Dmin一，.4Vinmax60Dnom工24 05Vinnom 48 由于輸出電流lout為2A,故負(fù)載電阻：R=V處=12c I out(3)根據(jù)電感電流臨界連續(xù)時(shí)Ig： 0.1A,可由下式計(jì)算得濾波電感感值:IL = U o =，Lmin(CCM) lTU oTcffOFF max2I omin24 (1 - 0.4) 5=360H-0.2 根據(jù)輸出電壓紋波Vout(p-p)為25mV可由下式計(jì)算得濾波電容容值:11Tl -I o = C = "C 2 28V,I ripple0.2out(p4 f 8

3、25 10200 103=5uF取Cf =10忤，其中開關(guān)頻率f為200KHz在實(shí)際器件中，電容存在寄生電阻，因此實(shí)際器件仿真時(shí)，電容的選取如下:一- 65 10”工V =AI ESR = 0.2m，而AVppmax =25mVC>ppi maxCmin =520uF,取 C =600uF,ESR =125m，2.2開關(guān)管及二極管應(yīng)力計(jì)算:(1)開關(guān)管的選取功率管承受的最大電壓為60V,流過開關(guān)管電流最大值為2A,開關(guān)管電壓電流降額系數(shù) 均為0.5,則開關(guān)管電壓要大于或等于120V,電流最大值要大于4A。粗略以最大占空比計(jì)算 電流的有效值為3.2A,則最大功率為384W取400W根據(jù)仿真

4、，可選irf460作為開關(guān)管。(2)二極管的選取二極管電壓應(yīng)力60V,二極管電流有效值為：Id =I°uM D =1.5A。二極管耐壓降額系 數(shù)為0.6、電流降額系數(shù)為0.5,則二極管耐壓要大于或等于100V,電流有效值要大于或等 于3A。根據(jù)仿真，可選d1n3880作為二極管。2.3開環(huán)仿真結(jié)果：2.3.1 理想元器件開環(huán)仿真結(jié)果:(1)電路圖:12圖2.1理想元器件開環(huán)主電路圖(2)額定功率下仿真結(jié)果：圖2.2輸出電壓波形上圖為輸入48VDC,額定功率下輸出電流、電壓波形。如圖可知，輸出電壓平均值為23.75V,紋波為11.11mV;輸出電流平均值為1.979A,紋波為0.167

5、A?；具_(dá)到設(shè)計(jì)要 求。(3)電流臨界連續(xù)情況:圖2.3輸出電壓紋波與電感電流紋波波形上圖為負(fù)載240。時(shí)濾波電感電流波形，可知電流變化為0.025A0.188A,電流基本臨界連續(xù), 符合設(shè)計(jì)要求。2.3.2實(shí)際元器件開環(huán)仿真結(jié)果:(1)電路圖如下:圖2.4開環(huán)仿真電路圖上圖中，輸入電壓用額定48VDC,其他器件用所設(shè)計(jì)的參數(shù)，其中占空比為0.5。1、CCM仿真波形：輸出電壓波形和輸出電感電流波形，如圖 2.5圖2.5 輸出電壓波形和輸出電感電流波形從圖中可以看出，其輸出是穩(wěn)定的，但是開始時(shí)電壓和電流的沖擊很大，具體值見上圖的測如上圖，測量其輸出電壓的峰峰值為20.66mV,小于25mV,滿足

6、設(shè)計(jì)要求。其中輸出電壓的紋波為三角形，估計(jì)是由于其寄生電阻造成的，使得其波形與電流波形的相位差很小。3、MOSFET電壓電流應(yīng)力波形，如圖 2.7twLk_Dpe：n_bap圖2.7 MOSFET電壓電流應(yīng)力波形4、二極管的電壓電流應(yīng)力波形，如圖 2.8bucl<.DpanJk»p圖2.8 二極管的電壓電流應(yīng)力波形 卜面是對這兩個(gè)管子的應(yīng)力分析結(jié)果：Stress TableDerated ActualInstance SM NameValue ValueStress Bar-chartAt Ratio (%) 0%100%irf460.irf460_1tjmaxirf460.i

7、rf460_115022.6k18.9m18100 XXXXXXXXXX201019m50 -vgsmax d1n3880.d1n3880_1piv10047.418.1m47.4 -irf460.irf460_1tjavg15077.842.3 irf460.irf460_1idmax841518.9m17.8 -d1n3880.d1n3880_1iavg6959m16 -irf460.irf460_1vdsmax5004919m9.81-irf460.irf460_1vdgmax5004919m9.81 -d1n3880.d1n3880_1imax15012.918.9m8.59 -d1n

8、3880.d1n3880_1tjmax15034.319m7.44 -d1n3880.d1n3880_1pdmax41.72.2119m5.3 -irf460.irf460_1idavg211.065.05 -d1n3880.d1n3880_1tjavg15030.34.24 .d1n3880.d1n3880_1pdavg41.7999m2.39 .三、閉環(huán)參數(shù)計(jì)算及仿真3.1閉環(huán)參數(shù)計(jì)算:(1)確定開環(huán)傳遞函數(shù)在CCM情況下，占空比(d)到輸出電壓(Vo)的小信號傳遞函數(shù)為:Gvd(s) =V1 sRcCc""21 s/Q 0 (s/ 0)oL/Rl (Rl Rc)C 該

9、Buck變換器的輸入電壓為30V60V (額定輸入為48V),輸出電壓為24V,輸出電流 為 2A, Lf=360uH , Cf=600uF,取 RL=0 Q , Rc=125mQ ,用 Mathcad 畫出 Gvd(s)的幅頻特性 曲線及相頻特性曲線，如圖3.1 (a)、圖3.1 (b)所示。5050i40302010 0 -10 昂-20強(qiáng)-就-40-50-6D-70-B0-90-100-100D.0I0, 1110100IxID3 1x10' IxlO5lxIOE1 小£，1心頻率改圖3.1(a) 幅頻特性曲線圖2 3(b)開環(huán)相頻特性曲線1 io-£11/頻

10、率屈mn*從圖3.1(a)可以測得，G的低頻增益為33.625dB,諧振頻率fr=250Hz ,截止頻率fc=2KHz , 并且斜率約為-40dB/Dec。因此可以粗略斷定系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是很好，并且估計(jì)調(diào)節(jié)時(shí)間也很 長。圖3.1(b) 相頻特性曲線從3.1(b)圖中可求得，其相角裕度為 45.586度?？梢钥闯觯嘟窃６确弦?，超調(diào)不 會太大。以下為Mathcad計(jì)算程序：1 .Ged但)特性分析R 12這是負(fù)載電阻j > g % X 48 D > 0- 6L 360 IO-5RL 0AAAJ_a輸入4W (顫定)輸出25r負(fù)載12歐姆C A 600x 106 Rc 戶 125

11、IO-3 *wq='i3wq- - + (R + %)-C峭q = 2. 152 x 10LR '1 _1 +2式 f-Ru-C%ii . 2?rfCf) -201oe(|Cvd(f)|)fu = 2000WEJ + 180= 45-58S(2)不加矯正環(huán)節(jié)的閉環(huán)仿真：(注：以下仿真均為理想元器件) 電路圖如下：圖3.2不加矯正環(huán)節(jié)的閉環(huán)仿真圖這里反饋回路設(shè)置為Hs=5/24, PWM的Vm為2.5V,設(shè)置輸入為30-60V階躍變換的形式,如下圖3.360。Stimulus Profile50.0A30 0 A10 Qm20 0m40 0 m30 Qm time(s)5。Oe&

12、amp;Q.0m圖3.3輸入階梯波的設(shè)置可以得到仿真的輸出波形為圖3.4:圖3.4不加矯正環(huán)節(jié)的閉環(huán)輸出從波形上可以看出，系統(tǒng)的超調(diào)不大，但是穩(wěn)態(tài)誤差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也比較長，因此需要設(shè) 計(jì)控制器改善穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時(shí)間。(3)增加矯正環(huán)節(jié)1、選擇如圖PI補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gc(s)=1 sR2C1sR(GC2)(1sRzCG)C1 C2wz = 2：f zR2C1wp=2fp=j p pR2C1C22、確定補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)同上取參考電壓為 5V,則5H=24取Vm =2.5V ,截止頻率取1/5fs,則fc=40kHz,選取詳細(xì)過程見如下Mathcad程序:2 .補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gc (燈的設(shè)計(jì)w0 = 2, 152

13、 x 10加= 40000 |Gvd(fc) I-0, C66J 9265w 口H-丫皿 x2. 5 皿7x w.:= 10,2甯,£524mE gP口一 52.048x 10 -Gr5.|fr)= 3. 581 x 10-3 - 3. 721ix IO-4取R2為R2 - 10- IO31-7Cl -Cl = 3. 71B X 10尺2明C1-11s x L 0 -Co - 3,979 X w 11- C ja Rj "Wp Ri =產(chǎn) -Ri = 55. 063】C1-C21校正后的幅頻特性及相頻特性曲線如下圖3.5(a)和 3.5(b):圖3.5(a)校正后的幅頻特性曲線圖3.5(b)校正后的相頻特性曲線加入矯正環(huán)節(jié)的電路圖如下：圖3.6加入矯正后的閉環(huán)電路圖矯正后的輸出波形如下圖3.7:圖3.7矯正后的輸出波形從上圖中可以看出，最大超調(diào)值為30.383V,超調(diào)量約為25%,效果理想；其調(diào)節(jié)時(shí)間 ts大約2.5ms,效果也很理想，額定輸入時(shí)輸出的穩(wěn)態(tài)紋波值為20.99mV,效果較好。打開后的波形如圖3.8:從這個(gè)波形可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)對階躍擾動的抑制能力很強(qiáng)。(4)加入限幅二極管后經(jīng)過學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)