Buck电路设计与MATLAB仿真设计

1、Buck电路设计与仿真/TONG姓名： 朱龙胜班 级： 电气1102学号:11291065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。2、Buck电路理论计算：由以下公式计算：1 .占空比：D Vo 0.252 .负载电流：Io 0.5A R23 .纹波电压:-Vo Ts (1 D) 5%DTs(Vd Vo)2L

2、Vo8LC4电流连续条件：Ilb Iob得到下列计算结果fs(KHz)L(mH)C(F)100.375500500.0751003、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MOSFETI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=0.25）,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ode

3、23tb,最大步长为0.1s ,占空比D=0.25进行仿真，记录数据如下表所示:开关频率 fs(KHz)电感L(mH)电容C(F)输出电压稳态值V0(V)输出电压纹波值A V0(V)电感电流波动值A I o(A)100.3755004.7360.026710.454174.3390.02750.8750.18755006.4350.05101.8500.0751004.7450.01971.0140.0983.34.3960.02240.875与理论值对比开关频率 fs(KHz)电感L(mH)电容C(F)输出电压稳态值V0(V)输出电压纹波值A M(V)电感电流波动值A I o(A)100.3

4、7550050.02510.4541750.0250.8330.187550050.0252500.07510050.02510.0983.350.0250.833C.仿真过程：当f s=10KHz,L=0.375mH C=500科F,占空比 D=0.25,电流连续的临界状态时，记录稳态直流电压值Vo=4.736V,稳态直流电压理论值5V计算稳态直流纹波电压的理论值T2V(1 D)Vo -s-() 0.025V ,通过图中得到直流纹波电压为0.0267V8CL当fs=10KHz,L=0.375mH, C=500科F,占空比D=0.25,电流连续的临界状态时 ，由IL Vo。DPS ,得电感电流

5、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-1 0.1087Switch (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)-0.50.10880.10890.1090.1091Time/s0.10920.10930.10940.10952 5 15 0 v/eRrup21.51V 0.50-0.5Inductor Current(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)0.1090.10920.10870.10880.10890.1091Time/s0.10930.10940.10954.754.72Uo (fs=10KHz,L=0.375mH,

6、C=500uF)4.7454.744.7354.734.7250.04360.04380.0440.04420.04440.04460.04480.0450.04520.0454Time/sFigure-1 fs=10KHz,L=0.375mH, C=500 科 F,占空比 D=0.25,电流连续的临界状态取1.2倍临界电感值时，输出电压稳态值是4.399V,理论值是 5V,纹波电压理论值0.025V记录波形测得纹波电压为0.0275V电感电流波动理论值为0.833A,由图像得到电感电流波动值是0.875A-0.5Pulse (fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)-1 0.02

7、450.0250.02550.026515o 1 oweerupTime/sInductor Current(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF) 21.51A 0.50-0.5-10.02450.0250.02550.026Time/s取1.2倍电感值时you4.384.4054.44.3954.394.3850.1970.19750.1980.19850.1990.19950.20.20050.2010.2015Time/sFigure-2取1.2倍电感值时fs=50KHz,L=0.075mH, C=100F,占空比D=0.25,电流连续的临界状态时，记录稳态直流电压值Vo

8、=4.745V,理论值是5V,稳态直流纹波电压理论值0.025V,由输出电压波形得到实际值为0.0197V电感电流波动理论值为1A,测量值为1.014APulse (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)-0.5-10.02470.02480.0249Time/s515o 1 oVTeRrup0.0251.51A 0.50-0.5-10.02470.02480.0249Time/s0.025Inductor Current(fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)2Uo (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)4.76 ,1.66.026.046.

9、066.086.1Time/sx 10-3Figure-3 f s=50KHz,L=0.075mH, C=100 F,占空比 D=0.25,电流连续的临界状态取1.2倍临界电感时，输出电压平均值为4.396V,理论值是 5V,纹波电压理论值为4.410.025V ,实际为 0.0224V电感电流波动理论值为0.833A,实际值为0.875AFigure-5 fs=10KHz,L=0.375mH, C=500科F,占空比D=0.25,电流连续的临界状态Pulse (fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)weerupAnlrTime/sIductor Current(fs=50KH

10、z,L=0.09mH,C=83.3uF) 21.51 0.50-0.5-10.02470.02480.02490.025Time/s4.384.52Uo (fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)4.4054.44.3954.394.3854.544.564.64.624.58Time/s4.64-3X 10Figure-4 取1.2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Inductor Current(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)Time/s记录数据如 卜表Switch (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)1

11、.51 V e 0.5 P0 -0.5-1开关频率 f s(KHz)电感L(mH)电容C(F)电感电流波动值A I o(A)电感电流波动实际值A Io(A)095100.375500110.454170.8330.8750.187550021.850 0.10880.07510011.0140.090.108983.3 01090J0.83310910.10920.8750.10930.109401Time/s0.5-0.50.0250.0255Time/s0.026Arlryetcop(0-.0245Inductor Current(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)1.5

12、Pulse (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)1.0.51 00-0.50.0250.0260.0255Time/s-0.5-1Figure-6 fs=10KHz,L=0.45mH, C=4170.0248科F,占空比D=0.250.02490.025Time/s-1 0.0247Inductor Current(fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)1.50.02480.0249Time/s-0.5 0.5015501120.025-0.50.02490.025Figure-7fs=50KHz,L=0.075mH, C=100 心 F,占空比 D=0.2

13、5,电流连续的临界状态0.0248Time/sIductor Current(fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)1.510.50-0.50.02480.0249Time/s-1 0.02470.025Figure-8 f s=50KHz,L=0.09mH, C=83.3 F,占空比 D=0.25修改占空比，观察直流电压值的变化。fs=10KHz,L=3.75e-4,C=500 核 F, 缶界连续占空比D(%)12.525507590Vo(V)2.234.7369.57214.7117.94Vo-D(Vd=20V)64200.10.20.30.40.50.6D0.70.80.

14、9Figure-9 输出电压与占空比关系曲线（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1.8A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6.67V对比，实际值6.435V并与同一占空比下电流连续时的直流电压值4.736V进行比较；计算稳态直流纹波电压，由图中得到纹波电压为0.0510V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： 1.875 100.1875RTs10 104Dc2dCi 8 Dci20.5则：U0 匹一US 025 20 6.67VDc2

15、 Dci 0.250.52=0.00003 s,ILB,max"A,I o 0.645AVoD2Vdd2 1()4 I LB,maxVoVoDTsM Vo) LIoDTsM Vo)Vo LI°V。M Vo)(DTsM V LI。)2LCVoM Vo)0.0373V实际仿真值：6.435V 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0.0510V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 0.12921.5Pulse (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)-0.50.12910.12920.12940.12950.129615 06 weerup0.1293Time/s-1 0.12921.51A 0.50Iductor Current (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)-0.50.12910.12920.12940.12950.12960.1293Time/s6.4Uo (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)6.466.456.4