Buck電路的設(shè)計(jì)與仿真

1、word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。比擬說明不同開關(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 這個(gè)值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，L>那么電感電流連續(xù)，實(shí)際電感值可選為1.2倍的臨界電感，可選擇為；D.根據(jù)紋波的要求和如下公式計(jì)算電容值 =2工作頻率為50kHz時(shí)，A

2、.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 這個(gè)值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，L>Lc那么電感電流連續(xù)，實(shí)際電感值可選為1.2倍的臨界電感，可選擇為；D.根據(jù)紋波的要求和如下公式計(jì)算電容值 =分析：在其他條件不變的情況下，假設(shè)開關(guān)頻率提高n倍，那么電感值減小為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Pulse Genera

3、tor模塊產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。分別做兩種開關(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，并與理論公式比擬，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)組翻開，并在“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)

4、直流電壓最大值為4.308628V，最小值為4.286866V，所以得到。仿真結(jié)果與理論值根本相同。(2)畫出電感電流波形，計(jì)算電流波動(dòng)值并與理論公式比照。電感電流波形如下所示：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)組翻開，并在“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0.8390A，最小值為0.0076A，所以得到。理論計(jì)算如下所示：仿真結(jié)果與理論值根本相同。(3)修改占空比，觀察直流電壓值的變化。A占空比Dc=20

5、%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；C占空比Dc=70%時(shí)，直流電壓的波形值如下所示，大小為13.95V；分析：；.隨著占空比的增加，由公式，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，與理論公式比照，并與同一占空比下電流連續(xù)時(shí)的直流電壓值進(jìn)行比擬；計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓，并與理論公式比擬需根據(jù)電流波形計(jì)算D2的大小。電感電流波形如下所示電流出現(xiàn)斷續(xù)：

6、從上圖中可以讀到， ，得到，；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，；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擬，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，；可見實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值根本相近。理論計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓：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，并與理論公式比擬，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

7、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)組翻開，并在“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。 仿真結(jié)果與理論值根本相同。 (2)畫出電感電流波形，計(jì)算電流波動(dòng)值并與理論公式比照。電感電流波形如下所示：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)組翻開，并在“Variable

8、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。理論計(jì)算如下所示：仿真結(jié)果與理論值根本相同。(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3.456V；B占空比Dc=50%時(shí)，直流電壓的波形值如下所示，大小為9.579V；C占空比Dc=70%時(shí)，直流電壓的波形值如下所示，大小為13.68V；分析：；.隨著占空比的增加，由公式，可知輸出電壓值逐漸增加。 附加電源網(wǎng)訊Buck變換器：也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于

9、輸入電壓的單管不隔離直流變換器。圖中，Q為開關(guān)管，其驅(qū)動(dòng)電壓一般為PWM(Pulse width modulation脈寬調(diào)制)信號(hào)，信號(hào)周期為Ts，那么信號(hào)頻率為f=1/Ts，導(dǎo)通時(shí)間為Ton，關(guān)斷時(shí)間為Toff，那么周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy= Ton/Ts。Boost變換器：也稱升壓式變換器，是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。開關(guān)管Q也為PWM控制方式，但最大占空比Dy必須限制，不允許在Dy=1的狀態(tài)下工作。電感Lf在輸入側(cè)，稱為升壓電感。Boost變換器也有CCM和DCM兩種工作方式Buck/Boost變換器：也稱升降壓式變換器，是一種輸出電壓既可低于也可高

10、于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，但其輸出電壓的極性與輸入電壓相反。Buck/Boost變換器可看做是Buck變換器和Boost變換器串聯(lián)而成，合并了開關(guān)管。Buck/Boost變換器也有CCM和DCM兩種工作方式，開關(guān)管Q也為PWM控制方式。LDO的特點(diǎn)： 非常低的輸入輸出電壓差 非常小的內(nèi)部損耗 很小的溫度漂移 很高的輸出電壓穩(wěn)定度 很好的負(fù)載和線性調(diào)整率 很寬的工作溫度范圍 較寬的輸入電壓范圍 外圍電路非常簡(jiǎn)單，使用起來極為方便DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制方式，to

11、n不變，改變Ts易產(chǎn)生干擾。其具體的電路由以下幾類：1Buck電路降壓斬波器，其輸出平均電壓 U0小于輸入電壓Ui，極性相同。2Boost電路升壓斬波器，其輸出平均電壓 U0大于輸入電壓Ui，極性相同。3BuckBoost電路降壓或升壓斬波器，其 輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。4Cuk電路降壓或升壓斬波器，其輸出平均電 壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。DC-DC分為BUCK、BUOOST、BUCK-BOOST三類DC-DC。其中BUCK型DC-DC只能降壓，降壓公式：Vo=Vi*DBOOST型DC-DC只能升壓，升壓公式：Vo= Vi/(1-D)

12、BUCK-BOOST型DC-DC，即可升壓也可降壓，公式：Vo=(-Vi)* D/1-DD為充電占空比，既MOSFET導(dǎo)通時(shí)間。0<D<1。開關(guān)性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能也較差，特別是對(duì)模擬電路供電時(shí)，將產(chǎn)生較大的影響。因開關(guān)電源工作效率高，一般可到達(dá)80以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量或計(jì)算用電設(shè)備的最大吸收電流，以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價(jià)格比，通常輸出計(jì)算公式為：Is=KIf 式中：Is開關(guān)電源的額定輸出電流； If用電設(shè)備的最大吸收電流； K裕量系數(shù)，一般取1.51.8；電容式開關(guān)電源它們能使輸入電壓升高或降低，也可以

13、用于產(chǎn)生負(fù)電壓。其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)(0.5,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調(diào)制過程可以保證高達(dá)80的效率，而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關(guān)工作的，電荷泵結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定的輸出紋波和EMI(電磁干擾)首先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。附加21 引 言目前，電力電子整流裝置在生產(chǎn)生活中應(yīng)用越來越廣，特別是計(jì)算機(jī)和家用電器中大量使用開關(guān)電源使得電力網(wǎng)輸入側(cè)波型畸變，功率因數(shù)降低。因而使用帶功率因數(shù)校正的開關(guān)電源對(duì)于電網(wǎng)的諧波治理和提高供電質(zhì)量有很重要的意義。傳統(tǒng)的整流裝置使用電橋

14、整流加大的電容濾波使得交流側(cè)輸入電流為一尖峰電流，這是使交流側(cè)輸入功率因數(shù)降低的主要原因如圖1。因此改變電路結(jié)構(gòu)以使輸入側(cè)電流跟隨輸入電壓就可以改善功率因數(shù)?，F(xiàn)在雙級(jí)PFCPower Factor Correction的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，它采用BOOST變換器作為前級(jí)PFC主電路，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以做到功率因數(shù)近似為1，但它控制復(fù)雜，本錢高，適合用于中等功率的電源。對(duì)于中小功率的PFC控制最簡(jiǎn)、性能可靠、功率因數(shù)高成了設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。一般中小功率采用單級(jí)Single StagePFC。近年來國內(nèi)外許多文章對(duì)單級(jí)PFC做了大量研究，提出了很多實(shí)現(xiàn)方案。單級(jí)PFC可以采用BUCK-BOOST電路來實(shí)

15、現(xiàn)，同時(shí)采用反激變換器flyback conventer隔離。2 BUCK-BOOST變換器實(shí)現(xiàn)APFC的原理BUCK-BOOST變換器是升降壓型電路，它使得輸入端電壓不必低于Vc，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)反激變換flyback converter。電路工作于DCM模式，這樣可以獲得高功率因數(shù)和穩(wěn)定快速的調(diào)節(jié)輸出文獻(xiàn)1已有論述。電路圖如圖2所示，假設(shè)負(fù)載為一電阻Rload，S為開關(guān)。BUCK-BOOST變換器有兩種工作狀態(tài)如圖3。(a) 開關(guān)S導(dǎo)通，電源加到L上，負(fù)載由C供電。L上電壓為Vg，L上的電流線性增加。(b) 開關(guān)S斷開，電感上的能量向Rload釋放，電感電流減小到0。電感上的電壓為Vdc。設(shè)工

16、頻交流電壓為Vm(t)=Vpsin(t) (1)其中Vp為交流電壓幅值、為輸入工頻交流電壓的角頻率。當(dāng)S導(dǎo)通時(shí)有 D1為開關(guān)導(dǎo)通比，Ts為開關(guān)周期，如圖4所示。當(dāng)電路工作在DCM模式時(shí) 。為電流峰值。于是有 2可以看出 。因此電感上的電流跟隨輸入電壓，功率因數(shù)得到校正。3 單級(jí)變換器的分析傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正由兩級(jí)組成，前級(jí)實(shí)現(xiàn)APFC，后級(jí)為電壓變換器，如圖5所示。PFC級(jí)工作于DCM模式，調(diào)節(jié)器可以工作于DCM或CCM模式，文獻(xiàn)2已指出如果PFC工作于DCM而調(diào)節(jié)器工作于CCM模式，那么可以獲得較低的傳導(dǎo)損耗，但dc端電壓依賴于負(fù)載電流，這使得難以在不改變dc端電壓的情況下控制輸出來滿足寬帶

17、范圍要求。當(dāng)兩級(jí)都工作在DCM模式下，兩級(jí)被dc端穩(wěn)壓電容分開，因而可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、寬負(fù)載和快速調(diào)節(jié)。適合應(yīng)用于低功率電源。雙級(jí)反激式BUCKBOOST功率因數(shù)校正可以通過變換開關(guān)管的位置并改變電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)單級(jí)變換器。如圖6，可以把開關(guān)S1轉(zhuǎn)移到 ，開關(guān)S2控制使得穩(wěn)壓電容對(duì)變壓器的一次側(cè)激磁和消磁讓能量傳遞到二次側(cè)。同樣可以改變電路結(jié)構(gòu)使激磁和消磁回路通過開關(guān)S，就可以只用一個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)PFC和電壓變換調(diào)節(jié)。如圖7，PFC級(jí)和DC/DC級(jí)共用一個(gè)開關(guān)，開關(guān)S開通時(shí)電感L激磁，同時(shí)穩(wěn)壓電容C放電，通過開關(guān)給變壓器一次側(cè)激磁；開關(guān)S關(guān)斷時(shí)電感L通過穩(wěn)壓電容C續(xù)流，同時(shí)給電容C充電。完成單激P

18、FC變換。為了濾去高次譜波，在電源輸入側(cè)參加LC濾波電路，使得輸入電流更接近于正弦。如果開關(guān)頻率很高，輸入功率在半波周期內(nèi)可近似為：代入2式得：3這里開關(guān)導(dǎo)通比為D1，設(shè)二極管D3的的導(dǎo)通比為D2，那么： 其中 電容對(duì)變壓器充磁功率為： 4對(duì)于本電路來講 ，所以由34可得 ，Lp為變壓器一次側(cè)電感。由此可見Vc獨(dú)立于輸出負(fù)載，調(diào)節(jié)D1就可調(diào)節(jié)輸出電壓V0。4 控制電路及小信號(hào)分析BUCKBOOST變換器的小信號(hào)分析模型如圖8(a)所示，為了簡(jiǎn)化分析假設(shè)電路工作在臨界模式，開關(guān)占空比為D， 表示開關(guān)管的小信號(hào)控制特性， 表示電壓源的擾動(dòng)， 表示輸出電壓的擾動(dòng)。其閉環(huán)傳遞函數(shù)方框圖為圖8(b)。G

19、s為主電路傳遞函數(shù)，H1s為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，1/Vm為PWM傳遞函數(shù)，E為開關(guān)占空比變化對(duì)輸入電壓的傳遞函數(shù)。5 仿真分析結(jié)果5.1 產(chǎn)生PWM波的Matlab仿真模型如圖9所示。仿真波形如圖10，ref為參考比擬電壓，Signal-Generator為三角波發(fā)生器，Scope顯示了PWM調(diào)制輸出。因而檢測(cè)輸出電壓就可改變開關(guān)管控制脈沖的占空比。5.2 BUCK-BOOST閉環(huán)控制電路仿真。BUCK-BOOST閉環(huán)控制電路的Matlab模型如圖11所示。AV為交流輸入，電壓幅值為380V；Switch為理想開關(guān)，恒頻工作，頻率為3kHz；PWMGen為PWM發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的PWM脈沖；Gainl和積分器組成為比擬積分環(huán)節(jié)。設(shè)輸出控制在200V，inport2顯示了輸入電流的波形。如圖12。從圖12中我們可以看到輸入電流近似為一正弦波單位為mA，輸出電壓穩(wěn)定在200V，同時(shí)使得輸出紋波很小，如果再參加輸入LC濾波功率因素為0.95以上。6 總 結(jié)本文分析了BUCKBOO