Buck電路設(shè)計與MATLAB仿真

1、姓 名： 朱龍勝班級：電氣1102學(xué)號:11291065日 期： 2014年5月10日指導(dǎo)老師：郭希錚北京交通大學(xué)計算機仿真技術(shù)作業(yè)四題目：Buck電路的設(shè)計與仿真1、Buck電路設(shè)計：設(shè)計一降壓變換器，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%,負載電阻10歐姆，求工作頻率分別為 10kHz和50kHz時所需的電感、電容。比較說明不同 開關(guān)頻率下，無源器件的選擇。2、Buck電路理論計算：由以下公式計算：1 .占空比：D =Vo=0. 25Vd2 .負載電流：Io =Vo = 0. 5A R23 .紋波電壓：-V0 =Ts (1 D)= 5%Vo8LC4電流連續(xù)條件：I

2、lb = Iob = DTs(Vd -Vo)2L得到下列計算結(jié)果fs(KHz)L(mH)C(科 F)100.375500500.0751003、Buck電路仿真：利用simpowersystems中的模塊建立所設(shè)計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)，用Pulse Generator模塊產(chǎn)生脈沖驅(qū)動開關(guān) 管。分別做兩種開關(guān)頻率下的仿真。(1)使用理論計算的占空比(D=0.25),記錄直流電壓波形，計算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，計算穩(wěn) 態(tài)直流紋波電壓，并與理論公式比較，驗證設(shè)計指標。4、仿真過程:A.建立模型：建立仿真模型如下如所示：Khrn7B.記錄

3、數(shù)據(jù)：仿真算法選擇ode23tb,最大步長為0.1s,占空比D=0.25進行仿真，記錄數(shù)據(jù)如下表所示:開關(guān)頻率 fs(KHz)電感L(mH)電容C(科 F)輸出電壓穩(wěn) 態(tài)值Vo(V)輸出電壓紋波值A(chǔ)Vo(V)電感電流波動值A(chǔ)Io(A)100.3755004.7360.026710.454174.3390.02750.8750.18755006.4350.05101.8500.0751004.7450.01971.0140.0983.34.3960.02240.875與理論值對比開關(guān)頻率 fs(KHz)電感L(mH)電容C(科 F)輸出電壓穩(wěn) 態(tài)值Vo(V)輸出電壓紋波值A(chǔ)Vo(V)電感電流波動

4、值A(chǔ)Io(A)100.37550050.02510.4541750.0250.8330.187550050.0252500.07510050.02510.0983.350.0250.833C.仿真過程：當fs=10KHz,L=0.375mH C=500 pF,占空比D=0.25，電流連續(xù)的臨界狀態(tài)時，記錄穩(wěn)態(tài)直流電壓值Vo=4.736V ,穩(wěn)態(tài)直流電壓理論值5V計算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓的理論值Ts2Vo(1 - D)八一,Vo =-=0.025V ,通過圖中得到直流紋波電壓為0.0267V8CL當fs=10KHz,L=0.375mH, C=500科F,占空比D=0.25，電流連續(xù)的臨界狀態(tài)時 ，由

5、L =Vo(1 ；D)Ts ,得電感電流波動理論值是ia ,由圖像得到電感電流波動值是1A,與理論計算相符合Switch (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)0.10880.10890.1090.10910.10920.1093Time/s0.10940.1095515o 1 oweRrupInductor Current(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)0.10880.10890.1090.10910.10920.10930.10940.1095Time/s4.754.744.7354.73-4.725 -Uo (fs=10KHz,L=0.375mH

6、,C=500uF)4.7454.72 0.04360.04380.0440.04420.04440.04460.04480.0450.04520.0454Time/s-0.5-1 0.108721.51V 0.50-0.5-1 0.1087Figure-1 fs=10KHz,L=0.375mH, C=500便正變比D=0.25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)取1.2倍臨界電感值時，輸出電壓穩(wěn)態(tài)值是 4.399V,理論值是5V,紋波電壓理論值0.025V記錄波形測得紋波電壓為0.0275V電感電流波動理論值為0.833A,由圖像得到電感電流波動值是0.875APulse (fs=10KHz,L=0.45mH

7、,C=417uF)21.5yetcop-0.5-1 0.02450.0250.02550.026Time/sInductor Current(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)1.50.5-0.5-1 0.02450.0250.02550.026Time/s取1.2倍電感值時4.41Uo (fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)4.4054.44.3954.394.3854.38 0.1970.19750.1980.19850.1990.19950.20.20050.2010.2015Time/sfs=50KHz,L=0.075mH, C=100F,占空比D=0

8、.25，電流連續(xù)的臨界狀態(tài)時，記錄穩(wěn)態(tài)直流電壓值Vo=4.745V ,理論值是5V,穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓理論值0.025V,由輸出電壓波形得到實際值為0.0197V電感電流波動理論值為1A,測量值為1.014ATime/sTime/sUo (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)科F,占空比D=0.25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)youFigure-3 fs=50KHz,L=0.075mH, C=100取1.2倍臨界電感時，輸出電壓平均值為0.025V ,實際為 0.0224V電感電流波動理論值為0.833A,實際值為4.396V,理論值是 5V,紋波電壓理論值為 0.875AweRrup

9、21.510.50-0.5-1Pulse (fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)0.02480.0249Time/s0.024721.510.50-0.5-10.025Iductor Current(fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)0.02480.0249Time/sVTOU0.02474.414.4054.44.3954.394.3850.025258 444.62Uo (fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)4.564.584.64.54Time/s4.64-3Figure-4取1.2倍電感時(2)畫出電感電流波形，計算電流波動值并與

10、理論公式對比 記錄數(shù)據(jù)如下表Switch (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)2開關(guān)頻率電感電容電感電流波電感電流波動實1.5fs(KHz)L(mH)C(科 F)動值A(chǔ)Io(A)際值A(chǔ)Io(A)10.375500110.5100.454170.8330.87500.187550021.8-0.5500.07510011.014-10.10880.090.108983.3-0.10900.8331091 0彳0920.8750.1093 0.1094010950.5-0.Inductor Current(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)21.511.50

11、.50.10890.1090.10910.10920.10930.1094Time/ss0.1087 00.1088Pulse (fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)0.1095Time/sInductor Current(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)Pulse (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)-0.5-1-0.5Figure-5 fs=10KHz,L=0.375mH, C=500 小樣比 D=0.25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)0.0250.02550.026Time/s21.5 2 11.5.5100-0.50-.02450.0250

12、.02550.026Time/sFigure-6 fs=10KHz,L=0.45mH, C=417比 D=0.250.02480.02490.025Time/sInductor Current(fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)0.02470.02480.02490.025Time/s0.5-0.5-10.02480.02490.025Time/sIductor Current(fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)1.510.50-0.50.02480.0249Time/s-1 0.02470.025Figure-8 fs=50KHz,L =0.09mH,

13、 C=83.3 科尚空比 D=0.25修改占空比，觀察直流電壓值的變化。fs=10KHz,L=3.75e- 4,C=500 科臨界連續(xù)占空比D(%)12.525507590Vo(V)2.234.7369.57214.7117.94Figure-9輸出電壓與占空比關(guān)系曲線(4)將電感改為臨界電感值的一半，運行仿真模型(只仿真開關(guān)頻率10k時的情況，使用理論計算的占空比)：記錄電感電流波形，電感電流波動值為1.8A觀察不連續(xù)電流的波形；記錄直流電壓波形，計算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，與理論公式6.67V對比，實際值6.435V并與同一占空比下電流連續(xù)時的直流電壓值4.736V進行比較；計算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓，

14、由圖中得到紋波電壓為0.0510V并與理論公式比較(需根據(jù)電流波形計算D2的大小)。L 1.875 104理,匕值計算：0 =0.1875RTs10 104Dc18. -Dc1Dc2 二二 0.52一DC10 25則：U0 =Us =520=6.67VDC2DC10.25 0.52=0.00003 s, lLB,max = "A, I o = 0.645AVo 二D4LB,maxVdD2 1(4Vo JDTsM -Vo) -LIoDTsM -Vo)Vo -L10Vo M -Vo)(DTsM -功- LIo) 2LCVo(Vd -Vo)Vo =0.0373V實際仿真值：6.435V V

15、可見理論公式算出來的值比實際仿真出來的值要大一些，是由于反并聯(lián)二極管作用 導(dǎo)致。但是，在同一占空比情況下，電流不連續(xù)情況下比連續(xù)情況的輸出電壓大， 比較穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓：由圖像得到輸出電壓的紋波為0.0510V在同一占空比的情況下，電流不連續(xù)情況下的紋波電壓比連續(xù)情況明顯增大。-1 0.12921.5 1A 0.5 0-0.5-1Pulse (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)-0.50.12910.12920.12930.1294Time/s0.12950.1296515o 1 oweRrupIductor Current (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)0.12910.12920.1293Time/s0.12940.12950.12960.1296.4Uo (fs=10K