【《同步整流Buck变换器电路设计及仿真案例》3200字】

同步整流Buck变换器电路设计及仿真案例目录TOC\o"1-3"\h\u19284同步整流Buck变换器电路设计及仿真案例 1168291.1总体方案设计 180071.2主电路参数设计 1276541.3仿真电路实现 378421.4电路仿真及分析 685661.4.1开环Buck电路仿真 6228951.4.2闭环Buck电路仿真 9324731.4.3补偿网络的验证 12149881.5小结 131.1总体方案设计本文所设计的同步整流Buck变换器，其仿真电路的相关参数如表3-1所示。表3-1Buck仿真设计电路的相关参数参数大小参数大小输入电压/V375输出电压/V110纹波电压/V5%纹波电流/A30%功率/KW2.2开关频率/kHz1000输出电流/A20开关周期/S10-6在主电路中要选择合适的元器件参数以满足设计电路的要求。为了使电路保持稳定，当加入扰动时也能够正常稳定的工作，选取的闭环控制方式为电压型控制方式。将输出电压VO与参考电压uref(在本文中为110V)进行比较，得到二者之差即电压误差ubuck，经过PI控制器进行误差放大，将放大信号进行PWM调制，可以得到输出波形的占空比，产生脉冲信号进而可以驱动开关管S1、S2交替导通工作。1.2主电路参数设计根据图2-2的同步整流Buck变换器的电路图设计主电路的元器件参数，选择电路工作在CCM电感电流连续导通模式。负载电阻为2.2Ω。设计滤波电感L滤波电感上流过的电流的波形iL如下图3-1所示图3-1在CCM模下时电感电流的波形分析可知，在一个完整的开关周期内的电感电流的变化值为（3-1）在本设计中，输出电压Vo要求为110V，输出电流IO要求为20A，纹波电流要求不超过30%，可计算得出占空比D为0.2933，开关周期T为10-6S，关断时间Toff=（1-D）T=（1-0.2933）×10-6=0.707×10-6S，纹波电流△iL≤30%IO=30%×20=6A,所以由式（3-1）可以计算得到：滤波电感L的大小为22μH。设计滤波电容C流经滤波电容的电流，在一个完整的开关周期内，其平均值是等于零的。在半个开关周期时间内电容充放电的电荷量可以用图（2-6）中画的阴影面积来表示，即（3-2）由滤波电容所引起的纹波电压的大小为 (3-3）因为有ΔIL+=ΔIL，将第二章中式（2-5）ΔIL+代入上式（3-3）可得输出电压纹波大小为 (3-4)因为要求纹波电压不超出输出电压Vo的5%，所以可以计算得到纹波电压大小为ΔVo=5%×Vo=5.5V，纹波电流ΔiL=30%Io=6A，频率f为1MHZ，把这些值带入公式（3-4）可以计算出滤波电容C的值为2.43μF。理论上是这样计算的，实际上，电容本身并不是一个理想的纯电容，由于它本身等效后是具有串联电阻Req和串联电感Leq的，虽然一般可以忽略等效串联电感，但等效串联电阻Req是不能忽略的，这导致了电容C及其等效串联电阻Req共同决定输出电压的纹波大小。而与滤波电容C串联的等效电阻Req大小计算方法如下：Req=ΔVO/ΔiL=5.5/6=0.917Ω，取值为1Ω。查资料可得铝电解电容的RC值为50×10-6到80×10-6范围内；取其平均值即RC为65×10-6，由于R=1Ω，则C=65uF。我们可以通过分析计算得到输出电压的纹波分量。纹波电压的大小为 (3-5)可以计算得出Vcr=0.0115V，远小于5.5V。所以，输出电压的纹波主要是由等效串联电阻Req决定的。1.3仿真电路实现在Matlab软件中，打开Simulink环境，依据设计的参数搭建变换器的仿真模型。仿真电路具体如下图所示，图3-2为开环Buck电路，图3-3为闭环Buck电路，图3-4为加负载干扰的电路设计。仿真步长设置为1e-9s，相图模块采样时间为1e-6s，横坐标为电容电压，其最大最小值为0和200，纵坐标为电感电流，其最大最小值为0和100。输入电压设置为375V，输出电压为110V，储能电感值为250uH，滤波电容值为22uF，负载电阻为2.2Ω。如图3-2所示的开环电路中，Pulse模块产生脉冲宽度固定为29.4%的方波脉冲信号，用于驱动开关管S1、S2交替导通工作，进而得到所需要的输出电压。图3-2开环Buck电路如图3-3所示的闭环电路中，为了使电路保持稳定，选取的闭环控制方式为电压型控制方式。将输出电压VO与参考电压uref通过SUM比较，得到二者之差即电压误差ubuck，经过PI控制器进行误差放大，将放大信号进行PWM调制，可以得到输出波形的占空比，产生脉冲信号进而可以驱动开关管S1、S2交替导通工作，进而得到所需要的输出电压。图3-3闭环Buck电路图3-4开环加负载干扰的电路设计如图3-4所示的开环电路加负载干扰的电路中，在输出测加不同的纯阻性负载，并利用STEP设置加入负载的时间。闭环电路加负载干扰方法一样，如图3-5。图3-5闭环加负载干扰的电路设计1.4电路仿真及分析在前面的内容中，分析了Buck电路和闭环控制的基本原理、设计了仿真电路、完成主电路的元器件参数的设计，接下来将进行电路的仿真，验证设计是否可行，是否合理。1.4.1开环Buck电路仿真图3-5为在开环情况下进行电路的仿真时测得的有关量的波形图：依次代表了功率MOS管S1和S2的驱动脉冲波形以及输出电压Vo的波形，滤波电感的电流iL的波形图。从图3-5中可以大致观察出电路从刚开始的暂态过程到最终达到稳态过程时的相关电压电流的变化情况。开环Buck电路中的输出电压与电感电流的直流分量与纹波分量，分析结果如下：（1）输出电压直流分量Vo图3-6表示开环电路达到稳态过程后的相关波形图。当把输入电压Vin设置为375V，驱动信号的占空比设置为29.33%时，得到的输出电压在理想情况下应该是110V，但是实际观察到的输出电压Vo稳态值约为108.4V。原因是实际给MOS管S1、S2施加的驱动信号与所施加的Vgs信号是有差别的，正如图3-7所示Vgs波形与Vds波形，可以明显的看出，开关管的漏源电压Vds落后于驱动电压Vgs变化，原因是驱动电压是理想的驱动，而开关器件是非理想模型。图3-5开环Buck电路仿真的相关波形图图3-6开环Buck电路达到稳态时的相关波形（b）图3-7Vgs与Vds波形（2）输出电压纹波分量利用Matlab的cursormeasurements功能并结合波形图3-8可知，输出电压纹波为0V，比设计值0.11V低，满足设计要求。（3）电感电流直流分量由图3-6可得，电感电流直流分量为49.12A。结合上面的分析，由于栅源极驱动电压是理想的驱动，而开关器件是非理想模型，所以它的占空比与理想的驱动信号的占空比不一样，影响了输出电压和输出电流，将电路输出电压108.4V除以负载电阻2.2Ω计算得到，电流为49.27A，与49.12极为接近。图3-8纹波电压（4）电感电流纹波分量由图3-9电感电流的纹波为0.2A，满足设计的要求，这是由于选择了合适的电感值。图3-9纹波电流1.4.2闭环Buck电路仿真图3-10是闭环仿真的相关波形图；依次为功率管S1和S2驱动脉冲以及输出电压VO的波形，滤波电感电流iL波形图。从图3-10可以大致观察出闭环电路从刚开始的暂态过程到最终达到稳态过程时的相关电压电流的变化情况。闭环Buck电路中的输出电压与电感电流的直流分量与纹波分量，分析结果如下：（1）输出电压直流分量图3-11表示闭环电路达到稳态过程的相关量的波形图。结合波形图并利用cur-sormeasurements功能，可观察出输出电压的直流分量为109V。（2）输出电压纹波分量如图3-12，输出电压的纹波分量约为0V，若纹波电压大，可增大滤波电容。（3）电感电流直流分量由图3-11可知，电感电流稳态值大约为51.6A，比49.27A大，这是因为设计时把电路当做理想电路来分析，但实际并不是完全理想的电路。（4）电感电流纹波分量电感纹波电流为0.3A，小于6A，合乎要求。图3-10闭环Buck电路仿真的相关波形图图3-11闭环Buck达到稳态时的相关波形图图3-12纹波电压图3-13纹波电流1.4.3补偿网络的验证加负载进行扰动测试，对Buck电路的性能进行对比:给Buck电路施加负载扰动，并设置扰动加入时间，如表3-2所示：表3-2加入负载扰动情况时间t/ms负载电阻RL/Ω220350475施加负载扰动后电路的性能参数如表3-3所示：表3-3加入负载扰动时电路的性能参数负载电阻RL/Ω开环闭环过渡时间ΔT/μs电压变化ΔV/V过渡时间ΔT/μs电压变化ΔV/V20364.5916.03117.0875.98650402.6942.94315.7692.64475394.7991.8216.0081.749开环Buck电路施加负载扰动后的电压波形的变化如图3-14所示，闭环Buck电路施加负载扰动后的电压波形的变化如图3-15所示：图3-14开环Buck电路加入负载扰动后输出电压的波形图图3-15闭环Buck电路加入负载扰动后输出电压的波形图从上面的图及表可观察出，引入闭环控制后，在加入负载扰动时，输出电压的变化明显比开环下电压变化量小，电压波动不大，且负载电阻越大，电压波动越小。从图中还可看出，加入负载扰动时，闭环系统的动态响应能力并不是十分的好，