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: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与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：D0.25Vd2 .负载电流：IoVo0.5AR3 .纹波电压：丛Ts2(1D)5%DTsM Vo)2LVo8LC4 .电流连续条件：IlbIob

2、B 记录数据：仿真算法选择ode23tb,最大步长为0、1s,占空比D=R 25进行仿真，记录数据如下表所得到下列计算结果fs(KHz)L(mH)C()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MOSFE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

3、：建立仿真模型如下如所示：示:开关频率fs(KHz)电感L(mH)电容C()输出电压稳态值M(V)输出电压纹波值AM(V)电感电流波动值AIo(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M(V)输出电压纹波值AM(V)电感电流波动值AIo(A)100、37550050、02510、4541750、0250、8330、18755

4、0050、0252500、07510050、02510、0983、350、0250、833C.仿真过程：当fs=10KHz,L=0、375mHC=500科F,占空比D=R25,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Ts2Vo(1 D)8CL0.025V ,通过图中得到直流纹波电压为0、 0267V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，区Vo(1D)TS由IloJS，得电感电流波动理论值就是1A，由图像得到电感电流波动值就是1A,与理论计算相符合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,电流连续的临界状态取1、2倍临界电感值时，输出电压稳态值就是4、399V,理论值就是5V,纹波电压

6、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倍电感值时'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、力培翊嘲漉陵的临界状态时，记录稳态直流电压值Vo=4、745V,理论值就是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、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,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

8、、396V,理论值就是5V,纹波电压理论值为0、025V,实际为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开关频率电感电容电感电流波电感电流波动实

9、Switch(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)1.51Buck电路设计与MATLA吩真fs(KHz)L(mH)C(F)动值AIo(A)际值AIo(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电流连续的临界状态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,电流连续的临界状态0.50-0.5-1Buck电路设计与MATLA吩真0.02480.02490.025Time/sTime/sfs=10KHz,L=3、75e-4,C=500科F,临界连续占空比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，观察直流电压值的变化。Vo-D(Vd=20V)181614121086420.20.30.40.50.60.70.80.91DFigure-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

13、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：L 1.875 104RTS10 1040.1875D C2DCi 8 Dei20.5贝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实际仿真值：6、435VV可见理论公式算出来的值比实

14、际仿真出来的值要大一些，就是由于反并联二极管作用导致。但就是，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。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