题目Buck电路的设计与仿真

1、XXXXXX大学计算机仿真作业四实验报告书XXXXX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0.5%,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。解：（1）工作频率为10kHz时，A. 主开关管可使用 MOSFET，开关频率为10kHz;B. 输入20V，输出5V,可确定占空比 Dc=25%;C. 根据如下公式选择电感Lc(1 -Dc)R2(1-0.25) 101210000= 3.75 10H这个值是电感电流连续与否的临界值,L&

2、gt;则电感电流连续，实际电感值可选为1.26倍的临界电感，可选择为 4.<10H ；C U°(1-Dc)/C = Is =8L：U05 (1-0.25)D. 根据纹波的要求和如下公式计算电容值1/.2=4.17 108 4.5 100.005 5 1 0 0 020（2）工作频率为 50kHz时,A. 主开关管可使用 MOSFET，开关频率为50kHz;B. 输入20V，输出5V,可确定占空比 Dc=25%;C. 根据如下公式选择电感.(1-Dc)RLc =2Ts二(1-0.25) 101一 250000_4= 0.75 10 H这个值是电感电流连续与否的临界值,L>L

3、c则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为0.9X10WH ；D. 根据纹波的要求和如下公式计算电容值C=Ts28L *U05 (1-0.25)18 0.9 10' 0.005 5 500002= 0.833 10七分析：在其他条件不变的情况下，若开关频率提高n倍，则电感值减小为 1/n,电容值也减小到1/n。从上面推导中也得出这个结论。2、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MOSFET模块（参数默认），用PulseGenerator模块产生脉冲驱动开关 管。分别做两种开

4、关频率下的仿真。（一）开关频率为 10Hz时；（1）使用理论计算的占空比，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。由第一步理论计算得占空比Dc=25% ;实验仿真模型如下所示（稳态直流电压值为4.299V）:直流电压整体波形如下所示:细微波形如下所示:计算稳态直流纹波电压：利用Matlab菜单栏的"Desktop”中选中"Worksapce”,并将命名为buck的数据组打开，并在 a Variable Editor - buck.signals(1,4).values"下，观察直流电压瞬时值：通过这些数值可以看

5、出，输出的稳态直流电压最大值为4.308628V，最小值 为4.286866V，所以得到 AUo &0.021762V 。Uo 0.0021762=0.005Uo 4.352仿真结果与理论值基本相同。(2) 画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。电感电流波形如下所示：lb. L0.0769D.O77DQ7710.07720.07730.07750.0774计算电流波动值:利用Matlab菜单栏的"Desktop”中选中"Worksapce”,并将命名为buck的数据组打开， 并在 a Variable Editor - buck.signals（1,3）

6、.values"下，观察电感电流瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8390A，最小值为0.0076A,所以得到 AL 整 0.8314A。理论计算如下所示:. .Jl =业（1 一 Dc）Ts =（1 0.25） =0.833AL4.5 1010000仿真结果与理论值基本相同。（3）修改占空比，观察直流电压值的变化。A.占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为 3.418V;B.占空比Dc=50%时，直流电压的波形值如下所示，大小为 9.589V ;分析:3.418V9.589V13.95V一 17.09V ； =19.178V ； =19.928

7、6V.随着占空比的增加，由公式 Uo =USXDC,可知输出电压值逐渐增加。（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，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，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，并与理论公式比较（需根据电流波形计算D2的大小）。电感电流波形如下所示（电流出现断续）：lb: L从上图中可以读到，Dd 乂气=2.5妇0圭s , Dc2><Ts = 4.5x103s , Ts=10s，得到 Dc1 =0.

8、25, Dc2 =0.45；直流电压波形如下所示(稳态直流电压值为6.462V):从上图中可以读到，AU。=0.065V ;在同一占空比下连续电流时，直流电压值为4.298V;由连续电流和断续电流下的电压值相比较，可以看到连续电流下的直流电压值较小，断续时的直流电压值较大。理论公式如下：其中Dci=0.25, J RTs1.875 10里10 10里= 0.1875,Dc20药 8 仆75* 一 0.2510 10000Dc10.25U。=c1Us 20 =6.67VDc1 Dc2 0.25 0.5可见实验测量值与理论计算值基本相近。12 = 0.06V 10000理论计算稳态直流纹波电压：_

9、U°(1-Dc1)2_5 (1-0.25)U。_ Ts _-4_48LC8 1.875 104.17 10可见与仿真中得到的 0.065V相近。(二)开关频率为 50Hz时；(1)使用理论计算的占空比，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。由第一步理论计算得占空比Dc=25% ;实验记录稳态直流电压值为4.396V ;直流电压波形如下所示：Lib. R4 传11111=4 "WWWVWWWWVWWVWVWWWVV'a(£1dD.085006160.08170.03160.0819OffiZ计算稳态直流

10、纹波电压：利用Matlab菜单栏的"Desktop”中选中"Worksapce”,并将命名为buck的数据组打开，并在 a Variable Editor - buck.signals(1,4).values"下，观察直流电压瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为4.405408V，最小值 为4.383011V，所以得到 AUo &0.022397V。Uo 0.022397 = =0.00509Uo 4.396仿真结果与理论值基本相同。(2)画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。电感电流波形如下所示：1让日0.6T 0.J.2

11、O.®590.09590.09&Q.K MDJD961睥SI0.09630.162E计算电流波动值：利用Matlab菜单栏的a Desktop ”中选中"Worksapce”,并将命名为buck的数据组打开，并在 a Variable Editor - buck.signals(1,3).values"下，观察电感电流瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8723A，最小值为0.0100A,所以得到 AR &0.8623A。理论计算如下所示:-iL =制一项亦指(1-0.25)150000= 0.8333A仿真结果与理论值基本相同。(3) 修改占空比，观察直流电压值的变化。B.占