Buck电路设计与MATLAB仿真

1、 Buck电路设计与仿真 姓 名：朱龙胜 班 级： 电气1102 学 号： 日 期：2014年5月10日 指导老师：郭希铮 北京交通大学 计算机仿真技术作业四 题目：Buck电路的设计与仿真 1、Buck电路设计： 设计一降压变换器， 输入电压为20V,输出电压5V,要求纹波电压为输出电压的，负 载电阻10欧姆，求工作频率分别为 10kHz和50kHz时所需的电感、电容。比较说明不同开 关频率下，无源器件的选择。 2、Buck电路理论计算： 由以下公式计算 1.占空比:D Vo 0.25 2负载电流：I。Vo 0.5A R 3.纹波电压：乂 Ts1印 5% Vo8LC 4电流连续条件：Ilb

2、Iob DTs(Vd Vo) 2L 得到下列计算结果 fs(KHz) L(mH) C(卩 F) 10 500 50 100 3、Buck电路仿真： 利用simpowersystems中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输入电压为20V 的直流电压源，开关管选 MOSFE模块（参数默认），用Pulse Generator 模块产生脉冲驱动 开关管。分别做两种开关频率下的仿真。 （1）使用理论计算的占空比（D=，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直 流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。 4、仿真过程： A.建立模型： 建立仿真模型如下如所示： B记录数据： 仿真算法选择od

3、e23tb,最大步长为，占空比行仿真，记录数据如下表所示: 开关频率 电感 电容 输出电压稳 输出电压纹 电感电流波 fs(KHz) L(mH) C(卩 F) 态值V,(V) 波值 乂(V) 动值 1 o(A) 10 500 1 417 500 50 100 与理论值对比 开关频率 电感 电容 输出电压稳 输出电压纹 电感电流波 fs(KHz) L(mH) C(卩 F) 态值Vo(V) 波值 乂(V) 动值 I o(A) 10 500 5 1 417 5 500 5 2 50 100 5 1 5 C.仿真过程 当fs=10KHz,L= C=500 3 F,占空比 D=,电流连续的临界状态时，记

4、录稳态直流电压值 VO=，稳态直流电压理论值 5V 计算稳态直流纹波电压的理论值 TsW D) 8CL 0.025V ,通过图中得到直流纹波电压为 当fs=10KHz,L=, C=5003 F,占空比D=,电流连续的临界状态时， 由Il Vo(1Ts，得电感电流波动理论值是1A，由图像得到电感电流波动值是 1A,与理论计算相符合 Switch (fs=10K Hz, L=0.375mH,C=500uF) 5 15 0 1a v/es 4 -0.5 -1 0.1087 0.1088 0.1089 0.109 0.1091 Time/s 0.1092 0.10930.10940.1095 In d

5、uctor Curre nt(fs=10K Hz, L=0.375mH,C=500uF) 1.5 1 V 0.5 0 -0.5 1 I.ir 0.10870.10880.10890.109 0.1091 Time/s 0.1092 0.10930.10940.1095 Uo (fs=1OK Hz, L=0.375mH,C=500uF) 4.75 4.745 R A A i ii ! 1 ：； fl 1 i 1 i ! 4.74 V/OU 4.735 4.73 4.725 II y i 1 1 i - i i 1 1 i I i 1 4.72 0.0436 0.0438 0.044 0.0442

6、 0.0444 0.0446 0.0448 0.045 0.0452 0.0454 Time/s Figure-1 fs=10KHz,L=, C=500 卩F,占空比 D=,电流连续的临界状态 取倍临界电感值时，输出电压稳态值是，理论值是5V,纹波电压理论值 记录波形测得纹波电压为电感电流波动理论值为，由图像得到电感电流波动值是 Pulse (fs=10KH z, L=0.45mH,C=417uF) v/eRrup -3 -0.5 -1 i i i 0.02450.0250.02550.026 Time/s In ductor Curre nt(fs=10KH z, L=0.45mH,C=41

7、7uF) 4.38 0.197 4.405 4.4 4.395 4.39 4.385 0.1975 0.198 0.1985 0.20.20050.2010.2015 Time/s 取倍电感值时 Uo (fs=10KH z, L=0.45mH,C=417uF) 4.41 0.1990.1995 Time/s Figure-2 fs=50KHz,L=, C=100卩 F,占空比 取倍电感值时 D=,电流连续的临界状态时, 记录稳态直流电压值 VO=, 理论值是5V,稳态直流纹波电压理论值 ,由输出电压波形得到实际值为 电感电流波动理论值为 1代测量值为 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1

8、 Pulse (fs=50KH z, L=0.075mH,C=100uF) 0.0248 Time/s 0.0249 0.0247 0.025 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 In ductor Curre nt(fs=50KH z, L=0.075mH,C=100uF) 0.0248 Time/s 0.0249 0.0247 0.025 4.76 v/ou Uo (fs=50KH z, L=0.075mH,C=100uF) 4.755 4.75 4.745 4.74 4.735 6 6.02 6.06 6.08 6.04 Time/s 6.1 X 10 Figure-3 fs=5

9、0KHz丄=,C=100卩F,占空比 D=,电流连续的临界状态 取倍临界电感时，输出电压平均值为，理论值是5V,纹波电压理论值为，实际为 电感电流波动理论值为，实际值为 2 1.5 0.5 0 -0.5 v/eRrup -1 0.0247 Pulse (fs=50K Hz, L=0.09mH,C=83.3uF) 0.0248 0.0249 Time/s 0.025 Iductor Curre nt(fs=50K Hz, L=0.09mH,C=83.3uF) 0.0247 0.0248 0.0249 Time/s 0.025 4.41 VT& 4.38 4.52 4.405 Uo (fs=50K

10、H z, L=0.09mH,C=83.3uF) 4.4 4.395 4.39 4.385 4.54 4.56 4.6 4.62 4.58 Time/s 4.64 x 10 -3 Figure-4 取倍电感时 (2)画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比 记录数据如下表 -0.5 -1 Time/s 2 5 1 5 1 o v/e CEUP Figure-6 fs=10KHz,L=, C=4173 F,占空比 D= 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 V I i 0直087 0.1088 0.1089 0.109 0.1091 Time/s 0.1092 0.1093 0.1094

11、0.1095 In ductor Curre nt(fs=10K Hz, L=0.375mH,C=500uF) Pulse (fs=10KH z, L=0.45mH,C=417uF) 2 1.5 1.5 1 A 0.5 0 -0.5 -1 0.025 0.026 0 5 Figure-5 fs=10KHz丄二，C=5003 F,占空比 D=,电流连续的临界状态 -1 0.0250.02550.026 Time/s In ductor Curre nt(fs=10KH z, L=0.45mH,C=417uF) 2 0.0245 0.0255 Time/s 20 P 0.5 0 -0.5 -1 0

12、.0248 0.0249 0.025 Time/s WTeRrup LI k A 11 Pulse (fs=50K Hz, L=0.09mH,C=83.3uF) 1 i 1 I i I I / J I i / J - h 1 l 1 1 V j ) I j J / J I |vLV j rL.jV / CI - 1 0.52 105 -0.51 0总 0.0248 Time/s 0.0249 1.5 In ductor Curre nt(fs=50KH z, L=0.075mH,C=100uF) 0.0247 0.025 -0.5 Figure-7fs=50KHz丄二，C=100 3 F,占空

13、比 D=,电流连续的临界状态 0.025 -1 0.02480.0249 Time/s -1 0.0247 0.0248 Time/s 0.0249 -0.5 1 0.5 0 1.5 Iductor Curre nt(fs=50KH z, L=0.09mH,C=83.3uF) 0.025 Figure-8 fs=50KHz丄二，C= 3 F,占空比 D= 修改占空比，观察直流电压值的变化。 fs=10KHz,L=,C=500 3 F,临界连续 占空比D(%) 25 50 75 90 Vo(V) Vo-D(Vd=20V) o v/ov 8 6 2 4 o 2 3 n- Figure-9 输出电压

14、与占空比关系曲线 （4）将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型（只仿真开关频率10k时的情况，使用 理论计算的占空比）：记录电感电流波形，电感电流波动值为观察不连续电流的波形；记录 直流电压波形，计算稳态直流电压值，与理论公式对比，实际值并与同一占空比下电流连 续时的直流电压值进行比较；计算稳态直流纹波电压，由图中得到纹波电压为并与理论公式 比较（需根据电流波形计算D2的大小）。 理论值计算: L RTs 1.875 104 10 104 0.1875 D C2 .DC18 DC1 2 0.5 U。 DC1 D C2 Dc1 Us 0.25 0.250.5 206.67V 2=0.00003

15、 s, I LB ,max 1.8A, I o 0.645A VoD2 VdD2 1（ Io ） 4 I LB,max Vo Vo DTs（VdV。）LIDTs（VdVo）V。LIV。（VdV）（DTsMV。）LI。） 2LCVo（Vd Vo） 0.0373V 实际仿真值：V 可见理论公式算出来的值比实际仿真出来的值要大一些，是由于反并联二极管作用 导致。但是，在同一占空比情况下，电流不连续情况下比连续情况的输出电压大， 比较稳态直流纹波电压： 由图像得到输出电压的纹波为 在同一占空比的情况下，电流不连续情况下的纹波电压比连续情况明显增大。 -1 0.129 Pulse (fs=10KH z, L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25) -0.5 0.1291 0.1292 0.1293 Time/s 0.12940.12950.1296 2 5 15 0 1a v/eRrup 0.1295 0.1296 Uo (fs=10KH z, L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25) 0.017 0.0171 0.0172 0.01750.01760.0177 Iductor Curre nt (fs=10KH z, L=0.18