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 這個(gè)值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，L>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；D.根據(jù)紋波的要求和

2、如下公式計(jì)算電容值 =（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 這個(gè)值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，L>Lc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；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，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MOSF

3、ET模塊(參數(shù)默認(rèn))，用Pulse Generator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“Variable Editor buck.signals(1,4).valu

4、es”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4.308628V，最小值為4.286866V，所以得到。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：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“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

5、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；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

6、較（需根據(jù)電流波形計(jì)算D2的大?。ｋ姼须娏鞑ㄐ稳缦滤荆娏鞒霈F(xiàn)斷續(xù)）： 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，；可見實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值基本相近。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，并與理論公式比較，驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)。

7、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：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“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：計(jì)算電流波動(dòng)值：利用Matlab菜單欄的“Desk

8、top”中選中“Worksapce”，并將命名為buck的數(shù)據(jù)組打開，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0.8723A，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3.456V；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

9、公式，可知輸出電壓值逐漸增加。 2010.05.29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，則信號(hào)頻率為f=1/Ts，導(dǎo)通時(shí)間為Ton，關(guān)斷時(shí)間為Toff，則周期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

10、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

11、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，ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類：（1）Buck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。（2）Boost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。（3）BuckBoost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。（4）Cuk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

12、-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)BUCK-BOOST型DC-DC，即可升壓也可降壓，公式：Vo=(-Vi)* D/（1-D）D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，一般可達(dá)到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

13、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

14、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)。現(xiàn)在雙級(jí)PFC（Power 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，成本高，適合用于中等功率的電源。對(duì)于中小功率的PFC控制最簡、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)

15、（Single Stage）PFC。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)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

16、，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

17、已指出如果PFC工作于DCM而調(diào)節(jié)器工作于CCM模式，則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D

18、C/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PFC變換。為了濾去高次譜波，在電源輸入側(cè)加入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，則： 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（3）（4）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

19、型如圖8(a)所示，為了簡化分析假設(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（s）為主電路傳遞函數(shù)，H1（s）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為參考比較電壓，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和積分器組成為比較積分環(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