斩波变换器基础四仿真

1 1 Buck 变换器变换器 降压式变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换 器 E V VD L R 图图 1 1 Buck 变换器原理图变换器原理图 1 11 1Buck 变换器仿真与参数计算变换器仿真与参数计算 降压变压器主电路参数 输入电压为 200V 输出电压为 25V 纹波电压为输 出电压的 0 2 负载电阻为 20 工作频率为 50kHz 1 1 0 25 on S Ut D UT 由已知参数带入公式计算临界电感 1 2 1 0 375 2 C D LRTmH 这个值是电感电流连续与否的临界值 则电感连续 基准组我们要使电感电流 C LL 连续可选为临界电感的 1 2 倍 即为 0 475mH 根据纹波的要求和电容计算公式可得电容值 1 3 02 0 1 260 8 UD CTuF L U A 表表 1 11 1 BuckBuck 变换器仿真参数变换器仿真参数 仿真模型建立如下 仿真时间为 0 1s 仿真算法为 ode23t S UV R UA L mH C uF fkHz D 200200 2 0 4752605025 图图 1 2 Buck 变换器仿真模型变换器仿真模型 1 21 2 Buck 变换器输出波形及分析变换器输出波形及分析 如下图所示 电感电压开关管导通电压恒定为 150V 当开关管关闭时 电 感要阻碍电流的突然减小 于是电感中储存的磁场能转化电能 开始续流 电 感电极性改变为 50V 因为电感大于临界电感 电感储能足够在下个周期来临 前值恒大于零 不会造成电感电流断续 输出电压小于理论要求电压的 50V 是 因为反并联二极管有一定的内阻和导通压降造成的一定误差 开关管电流和二 极管电流按占空比交替导通 0 0 5 1 Ug 100 0 100 200 UL 0 5 iL 49 32 49 34 U0 0 2 4 iT 0 09580 09580 09580 09590 09590 0959 0 2 4 iD 图图 1 31 3 BuckBuck 变换器仿真波形一变换器仿真波形一 输入输入 20V20V 占空比 占空比 25 25 电感 电感 0 475mH0 475mH 电容 电容 260uF 260uF 1 1 3 3 改变参数及分析变化原因改变参数及分析变化原因 1 将电感值提升为H 电感电流仍然连续 但是峰值有所降低 9 10 4 且纹波范围有所减小 电流峰值降低是因为电感值大 由于自感产生的反电动 势阻碍了电流的增大 纹波范围小是因为 是因为电感本身具有滤波的作用 由式 1 3 也可知道增大电感和电容或者减小开关频率的倍数纹波范围都会有所 减小 0 0 5 1 Ug 100 0 100 200 UL 1 2 3 4 iL 49 32 49 33 49 34 U0 0 2 4 iT 0 09820 09820 09820 09830 09830 0983 0 2 4 iD 图图 1 3Buck 变换器仿真波形一变换器仿真波形一 输入输入 20V 占空比 占空比 25 电感 电感 0 9mH 电容 电容 260uF 2 将电感降至临界电感值以下 所选电感值为 0 1mH 仿真输出波形如 下 电感电流有一段时间处于断续 但电流峰值增大 峰值增大是因为电感值 减小所用于自感的电能小 又一方面电感值小 自感能力不足 电感的磁能存 储能力不足以维持到下个开关周期到来 因而造成电感电流断续 但是输出电 压反而有所上升是因为 当电感电流小于 Io 时 并联的电容开始放电保持住了 波形且有所上升 也可以有公式 1 4 推到得出 导通的占空比不变 但是电感电 流释放的占空比减少 分母减少 分子与电源电压不变 因为平均输出电压增 大 1 4 1 0 12 S D UU DD 1 5 2 1 2 WLI 0 0 5 1 Ug 100 0 100 200 UL 0 5 iL 58 9 58 95 59 U0 0 5 iT 0 09730 09730 09730 09740 09740 0974 0 5 iD 图图 1 2Buck1 2Buck 变换器仿真波形一变换器仿真波形一 输入输入 20V20V 占空比 占空比 25 25 电感 电感 0 1mH0 1mH 电容 电容 260uF 260uF 3 将占空比提高为 50 其他参数保持不变 由于导通时间的比例增加 电感以及电容所存储的磁能与电场能都大大增加 平均输出电压增压增至 99 34V 各其他参数的峰值都有所增加 02468101214 x 10 4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 图图 1 5 输出电压仿真波形 输入输出电压仿真波形 输入 20V 占空比 占空比 50 电感 电感 0 475mH 电容 电容 260uF 2 2 Boost 变换器变换器 升压式变换器是一种输出电压等于或高于输入电压的单管非隔离直流变换 器 通过控制开关管 T 的导通比 可控制升压变换器的输出电压 图图 2 2 1 1 BoostBoost 变换器原理图变换器原理图 2 1 Boost 变换器仿真与参数计算变换器仿真与参数计算 升压变换器的主电路参数 输入电压为 6V 输出电压为 15V 纹波电压为输 出电压的 0 2 负载电阻为 10 工作频率为 40kHz 根据输入输出要求 可求得占空比 2 1 0 10 6 S U D U 由已知参数带入公式计算临界电感值 2 2 2 10 012 2 C R LDDTmH 这个值是电感电流连续与否的临界值 则电感连续 基准组我们要 C LL 使电感电流连续可选为临界电感的 1 2 倍 即为 0 015mH 根据纹波的要求和电容计算公式可得电容值 2 3 0 0 1 U DT CmF R U A 表表 1 1Boost1 1Boost 变换器仿真参数变换器仿真参数 仿真模型建立如下 仿真时间为 0 1s 仿真算法为 ode23t S UV R UA L mH C mF fkHz D 6100 2 0 01514060 图图 2 22 2 BoostBoost 变换器仿真模型变换器仿真模型 2 22 2Boost 变换器输出波形及分析变换器输出波形及分析 如下图所示 当开关管导通时 直接电源给电感充电 电容给负载 R 放电 当开关管关闭时 直流电源和极性改变的电感一起给负载供电 以及电容 C 充 电 且因所选电感大于临界电感 因为电感电流连续导通恒大于零 0 0 5 1 Ug 10 0 10 UL 0 5 iL 14 98 15 U0 0 5 iT 0 09430 09430 09430 09440 09440 09440 0944 0 5 iD 图图 2 3 Boost 变换器仿真波形一变换器仿真波形一 输入输入 6V 占空比 占空比 60 电感 电感 0 015mH 电容 电容 1mF 2 2 3 3 改变参数及分析变化原因改变参数及分析变化原因 1 将电感值降到 0 006mH 在开关管关断期间 因为电感值减小 电感 电流不再始终连续 因为电感值减小 磁能储存能力下降 所储存的电能不够 维持到下个周期到来 当电感断续时 电感电压瞬间打的零位 而电容具有稳 压性质开始放电 导致最后输出电压的平均值有所上升 0 0 5 1 Ug 20 10 0 10 UL 0 10 iL 19 45 19 5 U0 0 10 iT 0 09460 09460 09460 09470 09470 09470 09470 09470 09480 0948 0 10 iD 图图 2 42 4 BoostBoost 变换器仿真波形一变换器仿真波形一 输入输入 6V6V 占空比 占空比 60 60 电感 电感 0 006mH 0 006mH 电容电容 1 1mF 2 提高电容值 纹波值减小 由公式 2 3 也可得出该结论 0 0 5 1 Ug 10 0 10 UL 0 5 iL 14 98 14 99 U0 0 5 iT 0 08980 08980 08980 08990 08990 08990 0899 0 5 iD 图图 2 5 Boost 变换器仿真波形一变换器仿真波形一 输入输入 6V 占空比 占空比 60 电感 电感 0 006mH 电容 电容 2mF 3 3 Buck Boost 变换器变换器 Buck Boost 变换器是一种输出电压既可以高于也可以低于输入电压的单管 非隔离直流变换器 图图 3 13 1 Buck BoostBuck Boost 变换器原理图变换器原理图 3 1 Buck Boost 变换器仿真和参数计算变换器仿真和参数计算 主电路参数 输入电压为 20V 的直流电压 输出电压为 10 40V 要求纹波电压为 0 2 开关频率为 20kHz 负载为 20 1 根据输出最小电压要求 可求得占空比 3 1 0 1 0 1 3 S U D UU 3 2 2 10 222 2 C R LDTmH 3 3 0 0 416 3 U DT CuF R U A 2 根据输出最大电压要求 可求得占空比 3 4 0 2 0 2 3 S U D UU 3 5 2 10 0556 2 C R LDTmH 3 6 0 0 835 U DT CuF R U A 建立在电感电流连续的情况下 因为电感与电容原件都取两种情况中的最大值 且电 感乘以 1 2 倍 故仿真电路参数选取 0 133mH C 833uF C L 表表 3 3 1Buck Boost1Buck Boost 变换器仿真参数变换器仿真参数 仿真模型建立如下 仿真时间为 0 1s 仿真算法为 ode23t 图 3 2 Buck BoostBuck Boost 变换器仿真模型变换器仿真模型 3 2Buck Boost 输出波形及分析输出波形及分析 1 如下图所示 当开关管导通时 直接电源给电感充电 电容给负载 R 放电 当开关管关闭时 电感电压极性改变给电容和负载供电 因为电感值大 于最大临界电感值 因此电感电流连续导通 由公式 3 1 可知 占空比超过 50 则就是对直流电压进行一定增益的增压 因此占空比为 2 3 输出电压均值为 39 75 有一定误差 因为仿真中的开关管等器件并不是百分百理想器件 S UV R UA L mH C uF fkHz 1 D 2 D 20200 2 0 1338332033 3 66 7 0 0 5 1 Ug 40 20 0 20 UL 4 6 8 iL 39 8 39 9 U0 0 5 iT 0 09850 09850 09860 09860 0987 0 5 iD 图图 3 33 3 Buck BoostBuck Boost 变换器升压仿真波形 输入变换器升压仿真波形 输入 20V20V 电感 电感 0 133mH 0 133mH 占空比占空比 33 3 33 3 2 不同于升压 降压时的占空比低于 50 根据公式 3 1 根据输入 20V 输出 10V 的条件可求得所需占空比为整个周期的 1 3 所得输出电压波形 如下图 0 0 5 1 Ug 10 0 10 20 UL 0 1 2 iL 9 98 9 99 10 U0 0 1 2 iT 0 09640 09640 09650 09650 0966 0 1 2 iD 图图 3 43 4 Buck BoostBuck Boost 变换器降压仿真波形 输入变换器降压仿真波形 输入 20V20V 电感 电感 0 133mH 0 133mH 占空比占空比 66 7 66 7 3 3 改变参数及分析变化原因改变参数及分析变化原因 1 将开关管的开通占空比调至 50 输入输出比例接近 1 1 因此把占 空比 50 作为 Buck Boost 电路升压和降压的分界点 00 511 522 533 5 x 104 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 图图 3 53 5 Buck BoostBuck Boost 变换器输出电压仿真波形 输入变换器输出电压仿真波形 输入 20V20V 电感 电感 0 133mH 0 133mH 占空比占空比 50 50 2 将电感值调至 0 02mH 造成电感电流断续 输出电压明显增加 各电 流峰值也增加数倍 造成改波形原因与上述 Boost 电路电感电流不连续时的情 况类似 0 0 5 Ug 100 50 0 50 UL 0 20 40 iL 60 3 60 4 60 5 U0 0 20 40 iT 0 09830 09830 09840 09840 0985 0 20 40 iD 图图 3 63 6 Buck BoostBuck Boost 变换器升压仿真波形 输入变换器升压仿真波形 输入 20V20V 电感 电感 0 02mH0 02mH 占空比 占空比 66 7 66 7 3 增大电阻阻值至 40 欧 输出电压不变 各电流均值与峰值下降 且 造成电感电流断续 0 0 5 1 Ug 10 0 10 20 30 UL 0 1 2 iL 12 48 12 49 12 5 U0 0 1 2 iT 0 09250 09260 09260 09270 0927 0 1 2 iD 图图 3 63 6 Buck BoostBuck Boost 变换器升压仿真波形 电阻变换器升压仿真波形 电阻 40 40 输入 输入 20V20V 电感 电感 0 02mH0 02mH 占空比 占空比 66 7 66 7 4 4 Cuk 变换器变换器 Cuk 变换器的输出电压可以高于 等于或低于输入电压 其大小主要取决 于开关管 T 的占空比 E V0VD L1 V L2C 图图 4 14 1 CukCuk 变换器原理图变换器原理图 4 1Cuk 变换器仿真与参数计算变换器仿真与参数计算 主电路参数参数 输入是一个 20V 的直流电压 输出电压为 5 30V 开关 频率为 10kHz 负载为 1 电容 C1 为 4700uF C2 为 3300uF 电感都选 133uH 根据公式 4 1 计算可得 输出 5V 占空比为 20 输出 30V 占空比选取 60 4 1 0 1 0 0 2 S U D UU 4 2 0 2 0 0 6 S U D UU 表表 1 11 1 BoostBoost 变换器仿真参数变换器仿真参数 仿真模型建立如下 仿真时间为 0 2s 仿真算法为 ode23t S UV R 1 LmH L mH C uF C uF fkHz 1 D 2 D 2010 1330 133470033001020 60 图图 3 3 2 2 CukCuk 变换器仿真模型变换器仿真模型 4 24 2 波形输出波形输出 1 升压压仿真波形输出如下 0 0 5 1 Ug 40 20 0 20 UL1 30 40 50 iL1 20 0 20 UL2 20 30 iL2 29 92 29 94 U0 0 50 100 iT 0 19080 19090 1910 19110 19120 1913 0 50 100 iD 图图 4 34 3 CukCuk 变换器升压仿真波形 输入变换器升压仿真波形 输入 20V20V 占空比 占空比 60 60 电感 电感 0 133uH0 133uH 2 降压仿真波形输出如下 0 0 5 1 Ug 0 10 20 UL1 1 0 1 2 3 iL1 0 10 20 UL2 4 6 iL2 4 95 4 96 4 97 U0 0 5 10 iT 0 18340 18350 18360 18370 18380 18390 1