Buck電路設(shè)計(jì)與MATLAB仿真

1、Buck電路設(shè)計(jì)與仿真姓名：朱龍勝班級(jí):電氣1102學(xué)號(hào):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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作業(yè)四題目: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與50kHz時(shí)所需的電感、電容。比較說(shuō)明不同開(kāi)關(guān)頻率下，無(wú)源器件的選擇。2、Buck電路理論計(jì)算由以下公式計(jì)算：1 .占空比：D0.25Vd2 .負(fù)載電流：IoVo0.5AR3 .紋波電壓：叢Ts2(1D)5%DTsM Vo)2LVo8LC4 .電流連續(xù)條件：IlbIob

2、B 記錄數(shù)據(jù)：仿真算法選擇ode23tb,最大步長(zhǎng)為0、1s,占空比D=R 25進(jìn)行仿真，記錄數(shù)據(jù)如下表所得到下列計(jì)算結(jié)果fs(KHz)L(mH)C()100、375500500、0751003、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(kāi)關(guān)管選MOSFE模塊(參數(shù),默認(rèn)),用PulseGenerator模塊產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。分別做兩種開(kāi)關(guān)頻率下的仿真。(1)使用理論計(jì)算的占空比(D=0、25)，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)。4、仿真過(guò)程:A.建立模型

3、：建立仿真模型如下如所示：示:開(kāi)關(guān)頻率fs(KHz)電感L(mH)電容C()輸出電壓穩(wěn)態(tài)值M(V)輸出電壓紋波值A(chǔ)M(V)電感電流波動(dòng)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(duì)比開(kāi)關(guān)頻率fs(KHz)電感L(mH)電容C(F)輸出電壓穩(wěn)態(tài)值M(V)輸出電壓紋波值A(chǔ)M(V)電感電流波動(dòng)值A(chǔ)Io(A)100、37550050、02510、4541750、0250、8330、18755

4、0050、0252500、07510050、02510、0983、350、0250、833C.仿真過(guò)程：當(dāng)fs=10KHz,L=0、375mHC=500科F,占空比D=R25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)時(shí)，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(jì)算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓的理論值Ts2Vo(1 D)8CL0.025V ,通過(guò)圖中得到直流紋波電壓為0、 0267V當(dāng)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(shí)，區(qū)Vo(1D)TS由IloJS，得電感電流波動(dòng)理論值就是1A，由圖像得到電感電流波動(dòng)值就是1A,與理論計(jì)算相符合0.10870.10

5、880.10890.1090.10910.10920.10930.1094Switch (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)Time/sInductor Current(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)0.1091Time/s0.10950.04360.04380.0440.04420.04440.04460.04480.0450.04520.0454Time/syouFigure-1fs=10KHz,L=0、375mH,C=500祖F,占空比D=Q25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)取1、2倍臨界電感值時(shí)，輸出電壓穩(wěn)態(tài)值就是4、399V,理論值就是5V,紋波電壓

6、理論值0、025V記錄波形測(cè)得紋波電壓為0、0275V電感電流波動(dòng)理論值為0、833A,由圖像得到電感電流波動(dòng)值就是0、875AVTeRrupVTOU4.4054.44.3954.394.385Time/sInductorCurrent(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)21.510.50-0.5-10.02450.0250.02550.026Time/s取1、2倍電感值時(shí)'Uo(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)4.414.380.1970.19750.1980.19850.1990.19950.20.20050.2010.2015Time/sfs

7、=50KHz,L=0、075mH,C=100科FFigure-2匕跖10、力培翊嘲漉陵的臨界狀態(tài)時(shí)，記錄穩(wěn)態(tài)直流電壓值Vo=4、745V,理論值就是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(shí)際值為0、0197VVTOUTime/sVTeRrupTime/s4.76Uo (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)4.7554.754.7454.744.73566.026.046.066.086.1Time/s-3x 10Figure-3fs=50KHz,L=0、075mH,C=100F,占空比D=R25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)取1、2倍臨界電感時(shí)，輸出電壓平均值為4

8、、396V,理論值就是5V,紋波電壓理論值為0、025V,實(shí)際為0、0224Vwv/ouTime/sVTeRrup0.02470.02480.0249Iductor Current(fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)Time/s4.410.025Uo (fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)4.4054.44.3954.394.3854.38 4.524.544.564.584.64.62Time/s4.64-3X 10Figure-4取1、2倍電感時(shí)(2)畫(huà)出電感電流波形，計(jì)算電流波動(dòng)值并與理論公式對(duì)比記錄數(shù)據(jù)如下表開(kāi)關(guān)頻率電感電容電感電流波電感電流波動(dòng)實(shí)

9、Switch(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)1.51Buck電路設(shè)計(jì)與MATLA吩真fs(KHz)L(mH)C(F)動(dòng)值A(chǔ)Io(A)際值A(chǔ)Io(A)100、375500110、454170、8330、8750、187550021、8500.10880、07510011、0140.10890、090.1090.83、3Tir10910.10921e/s0、8330.10930.10940.10、875InductorCurrent(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)095-5o-5°oo-yetcop2515pesML6s-WTITPulse

10、(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)2ff1.5i/10.50rrr【r-10.10870.10880.1089-0.50.1090.1091Time/s0.10920.10930.10940.1095-1Figure-5fs=10KHz,L=0402375mH,C=5008平55占空比D=Q2502電流連續(xù)的臨界狀態(tài)Time/s-0.5).Q245-1InductorCurrent(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)0.0250.026-0.51.5A51.510.50Pulse(fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)Figure-6fs=

11、10KHz0l°=0-10.02470.0255Time/s45mHC=417股49占空比D=Q250.025InductorCurrent(fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)1.510.50-0.50.02480.0249Time/s0.025Figure-7fs=50KHz,L=0、075mH,C=100F,占空比D=R25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)0.50-0.5-1Buck電路設(shè)計(jì)與MATLA吩真0.02480.02490.025Time/sTime/sfs=10KHz,L=3、75e-4,C=500科F,臨界連續(xù)占空比D(%)12、525507590Vo(V)

12、2、234、7369、57214、7117、9420Figure-8fs=50KHz,L=0、09mH,C=83、3科F,占空比D=O25修改占空比，觀(guān)察直流電壓值的變化。Vo-D(Vd=20V)181614121086420.20.30.40.50.60.70.80.91DFigure-9輸出電壓與占空比關(guān)系曲線(xiàn)(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(kāi)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，電感電流波動(dòng)值為1、8A觀(guān)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6、67V對(duì)比”實(shí)際值6、435V并與同一占空比下電流連續(xù)時(shí)的直流電壓

13、值4、736V進(jìn)行比較；計(jì)算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓，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(jì)算D2的大小)。理論值計(jì)算：L 1.875 104RTS10 1040.1875D C2DCi 8 Dei20.5貝U:u0DCUS0.25206.67VDe2Dei0.250.52=0.00003s,lLB,max"A,Io0.645AVoD2VdD2-()4ILB,maxVDTs(VdVo)LIoDTs(VdVo)VoLIoVo(VdVo)(DTs(VdVo)LIo)Vozzz2LCVo(VdVo)Vo0.0373V實(shí)際仿真值：6、435VV可見(jiàn)理論公式算出來(lái)的值比實(shí)

14、際仿真出來(lái)的值要大一些，就是由于反并聯(lián)二極管作用導(dǎo)致。但就是，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。Pulse(fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)2|11r-1.5一15 06VTeRrup-0.5-1 I 0.1290.12910.12920.12930.12940.12950.1296Time/s-1 0.129Iductor Current (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)1.510.50-0.50.12910.12920.12930.12940.1295Time/s0.1296Uo(fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)6.46：ii1.6.456.446.436.426.416.4 0.0170.01710