Saber仿真作業(yè)Buck變換器的設(shè)計(jì)與仿真

1、 saber仿真作業(yè)buck變換器的設(shè)計(jì)與仿真目 錄1 buck變換器技術(shù)- 2 -1.1 buck變換器基本工作原理- 2 -1.2 buck變換器工作模態(tài)分析- 2 -1.3 buck變化器外特性- 4 -2 buck變換器參數(shù)設(shè)計(jì)- 5 -2.1 buck變換器性能指標(biāo)- 5 -2.2 buck變換器主電路設(shè)計(jì)- 5 -2.2.1 占空比d- 5 -2.2.2 濾波電感l(wèi)f- 5 -2.2.3 濾波電容cf- 7 -2.2.4 開關(guān)管q的選取- 7 -2.2.5 續(xù)流二極管d的選取- 8 -3 buck變換器開環(huán)仿真- 8 -3.1 buck變換器仿真參數(shù)及指標(biāo)- 8 -3.2 buck

2、變換器開環(huán)仿真結(jié)果及分析- 8 -4 buck變換器閉環(huán)控制的參數(shù)設(shè)計(jì)- 9 -4.1 閉環(huán)控制原理- 9 -4.2 buck變換器的閉環(huán)電路參數(shù)設(shè)計(jì)- 10 -4.2.1 gvd(s)的傳遞函數(shù)分析- 10 -4.2.2 補(bǔ)償環(huán)節(jié)gc(s)的設(shè)計(jì)- 13 -4.2.3 補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)- 15 -5 buck變換器閉環(huán)仿真- 19 -5.1 buck變換器閉環(huán)仿真參數(shù)及指標(biāo)- 19 -5.2 buck變換器閉環(huán)仿真電路原理圖- 20 -5.3 buck變換器的閉環(huán)仿真結(jié)果與分析- 20 -6 總結(jié)- 22 -1 buck變換器技術(shù)1.1 buck變換器基本工作原理buck電路是由一個(gè)功率晶體

3、管開關(guān)q與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成的，其電路如圖1.1。驅(qū)動(dòng)信號(hào)ub周期地控制功率晶體管q的導(dǎo)通與截止，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，若忽略其飽和壓降，輸出電壓uo等于輸入電壓；當(dāng)晶體管截止時(shí)，若忽略晶體管的漏電流，輸出電壓為0。電路的主要工作波形如圖1.2。圖1.1 buck變換器電路圖1.2 buck變換器的主要工作波形1.2 buck變換器工作模態(tài)分析在分析buck變換器之前，做出以下假設(shè)： 開關(guān)管q、二極管d均為理想器件； 電感、電容均為理想元件；電感電流連續(xù)； 當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。在一個(gè)開關(guān)周期中，變換器有2種開關(guān)模態(tài)，其等效電路如圖1.3所示，各開關(guān)模態(tài)的工作情況描述如下：（1）

4、開關(guān)模態(tài)0t0t1t0t1對(duì)應(yīng)圖1.3（a)。在t0時(shí)刻，開關(guān)管q恰好開通，二極管d截止。此時(shí)： （式1-1）電感中的電流線性上升，式1-1可寫成： （式1-2）（2） 開關(guān)模態(tài)1t1t2t1t2對(duì)應(yīng)圖1.3（b)。在t1時(shí)刻，開關(guān)管q恰好關(guān)斷，二極管d導(dǎo)通。此時(shí)： （式1-3）電感中的電流線性下降，式1-3可寫成： （式1-4）式中toff為開關(guān)管q的關(guān)斷時(shí)間。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，聯(lián)解式1-2與式1-4可得： （式1-5）輸出電流平均值： （式1-6） 圖1.3(a) t0t1 圖1.3(b) t1t2圖1.3(a) t1t2的主要工作波形圖1.3(b) t1t2的主要工作波形1.3 buck變化器外

5、特性在恒定占空比下，變化器的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系uo=f(io)稱為變換器的外特性。式1-5表示了電感電流連續(xù)時(shí)變換器的外特性，輸出電壓與負(fù)載電流無關(guān)。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，可能出現(xiàn)電感電流斷續(xù)現(xiàn)象。圖1.4為電感電流斷續(xù)時(shí)電流波形圖。由式1-2與式1-4可知，當(dāng)輸入電壓和輸出電壓一定時(shí)，為常數(shù)。由式1-6可見，當(dāng)負(fù)載電流減少到時(shí)，此時(shí)最小負(fù)載電流，即為電感臨界連續(xù)電流： （式1-7）由式1-2及式1-5得，帶入式1-7得： （式1-8）由上式可見，臨界連續(xù)電流與占空度的關(guān)系為二次函數(shù)，當(dāng)d=1/2時(shí)，臨界連續(xù)電流達(dá)到最大值： （式1-9）當(dāng)電感電流斷續(xù)時(shí)，即在toff結(jié)束前續(xù)流二極管的電流已

6、下降到0，此時(shí)輸出的平均電流為： （式1-10）式中，為開關(guān)管關(guān)斷后電感電流持續(xù)的時(shí)間，并且： （式1-11）穩(wěn)態(tài)時(shí)，由式1-11得： （式1-12）將式1-11及式1-12帶入式1-10得： （式1-13）即： （式1-14）圖1.4 電感電流斷續(xù)時(shí)電流波形可見在電流斷續(xù)區(qū)，輸出電壓與輸入電壓之比不僅與占空比有關(guān)，而且與負(fù)載電流有關(guān)。2 buck變換器參數(shù)設(shè)計(jì)2.1 buck變換器性能指標(biāo)l 輸入電壓：vin=1322vdc（額定輸入電壓為17.3v）；l 輸出性能：vout=12vdc； vout(p-p)25mv； 當(dāng)iout=0.1a時(shí)，電感電流臨界連續(xù)。l 開關(guān)頻率：fs=20khz

7、。2.2 buck變換器主電路設(shè)計(jì)2.2.1 占空比d根據(jù)buck變換器的性能指標(biāo)要求及buck變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系求出占空比的變化范圍： （式2-1）2.2.2 濾波電感l(wèi)f（1）濾波電感量lf計(jì)算變換器輕載時(shí)，如果工作在電流連續(xù)區(qū)，那么為了保持一定的輸出電壓，占空比大為減小，也就是說開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間很短。如果這個(gè)時(shí)間小于開關(guān)管的存儲(chǔ)時(shí)間與最小控制時(shí)間之和，變換器的輸出將出現(xiàn)失控或輸出紋波加大，因此希望變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。所以，以最小輸出電流iomin作為電感臨界連續(xù)電流來設(shè)計(jì)電感，即。在q關(guān)斷時(shí)，由式1-4得： （式2-2）由lflf(min)，取lf=360uh。（2）濾

8、波電感l(wèi)f設(shè)計(jì) 的電流時(shí)單向流動(dòng)的，流過繞組的電流具有較大的直流分量，并疊加一個(gè)較小的交流分量，屬于第三類工作狀態(tài)。因此磁芯最大工作磁密可以選的很高，接近于飽和磁密； 的電流最大值為； 初選磁芯大小。初步選擇tokin公司的feer42磁芯，其有效導(dǎo)磁面積； 初選一個(gè)氣隙大小，以計(jì)算繞組匝數(shù)。取氣隙，由式子得： （式2-3）取n=4匝； 核算磁芯最高工作磁密bm。由下式計(jì)算得： (式2-4）feer42磁芯的材質(zhì)為2500b,其飽和磁密為，顯然，符合要求。 計(jì)算繞組的線徑。輸出濾波電感電流有效值的最大值，取電流密度為，用線徑為的漆包線，則需要其根數(shù)為： （式2-5）取根。核算窗口面積。當(dāng)用26

9、根由線徑為的漆包線來繞制時(shí)，其總的導(dǎo)電面積為： （式2-6）取填充系數(shù)，則需要磁芯的窗口面積為： （式2-7）手冊(cè)表明，feer42的窗口面積為，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所需窗口面積，因此可以繞下。從前面的分析中可知，用feer42磁芯來繞制輸出濾波電感是合理的。綜上，由于feer42較常用，一般都選用該種磁芯；同時(shí)工作磁密遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飽和磁密，其鐵損非常小。2.2.3 濾波電容cf（1） 濾波電容量cf計(jì)算在開關(guān)變換器中，濾波電容通常是根據(jù)輸出電壓的紋波要求來選取。該buck變換器的輸出電壓紋波要求vout(p-p)25mv。若設(shè)，即全部的電感電流變化量等于電容電流的變化量，電容在時(shí)間間隔內(nèi)充放電，電容充電的平

10、均電流： （式2-8）電容峰峰值紋波電壓為： （式2-9）因此，得： （式2-10）取，d=0.4時(shí)，cf的值最大。即： （式2-11）由cfcf(max)得，取cf=10uf。（2）濾波電容的耐壓值輸出濾波電容的耐壓值決定于輸出電壓的最大值，一般比輸出電壓的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。由于最大輸出電壓為24v，則電容的耐壓值為24v。（3）濾波電容的選取由輸出濾波電容的電容量cf=4.7uf，耐壓值為24v，留有一定的裕量，則選取10uf/50v電容。2.2.4 開關(guān)管q的選取該電路的輸入電壓是30v60v，則開關(guān)管耐壓值為60v，電流的最大值為，其開關(guān)頻率為，因此選用的mosf

11、et管mtd6n15t4g，其額定值為。2.2.5 續(xù)流二極管d的選取續(xù)流二極管所承受的最大反向電壓為vin=60v；在時(shí)，二極管電流的有效值為；續(xù)流二極管的工作頻率為f=200khz。考慮一定的裕量，選用肖特基二極管sr150-1，其電壓和電流額定值為：120v/2a。3 buck變換器開環(huán)仿真3.1 buck變換器仿真參數(shù)及指標(biāo)為了驗(yàn)證開環(huán)工作原理及正確性，采用saber軟件對(duì)電路做了仿真分析。仿真所用的參數(shù)為：l 輸入直流電壓：vin=3060vdc(額定輸入為48v）；l 輸出直流電壓：vo=24v；l 開關(guān)頻率：fs=200khz；l 輸出電流：io=2a；l 輸出濾波電感：lf=3

12、60uh；l 輸出濾波電容：cf=10uf；l 開關(guān)管：mosfet，mtd6n15t4g；l 續(xù)流二極管：肖特基，sr150-1；3.2 buck變換器開環(huán)仿真結(jié)果及分析圖3.1給出仿真結(jié)果，波形依次為：開關(guān)管q的驅(qū)動(dòng)、a點(diǎn)電壓波形、開關(guān)管電流波形、續(xù)流二極管電流波形、濾波電感電流波形、輸出電壓波形。圖3.2給出輸出波形圖。其波形依次為輸出電流波形、輸出電壓波形。由于是開環(huán)仿真，輸出電壓不穩(wěn)定，紋波較大且易受到外界干擾。從波形圖上可得，仿真波形與理論分析波形一致。圖3.1 buck變換器的主要工作波形圖3.2 buck變換器的輸出波形4 buck變換器閉環(huán)控制的參數(shù)設(shè)計(jì)4.1 閉環(huán)控制原理為

13、了使變換器的輸出電壓穩(wěn)定達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，需要對(duì)變化器進(jìn)行閉環(huán)控制。其工作原理為：輸出電壓采樣與電壓基準(zhǔn)送到誤差放大器，其輸出經(jīng)過一定的補(bǔ)償后與鋸齒波，即調(diào)制波進(jìn)行交截來控制占空比，從而控制開關(guān)管q的通斷，控制輸出電壓的穩(wěn)定，同時(shí)還有具有一定的抑制輸入和負(fù)載擾動(dòng)的能力。圖4.1為閉環(huán)控制電路的基本原理圖。圖4.1 buck電路閉環(huán)控制基本原理圖圖4.2 pwm型dc/dc變換器的小信號(hào)模型為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，為了進(jìn)一步研究參數(shù)對(duì)閉環(huán)控制的影響，建立pwm型dc/dc變換器的小信號(hào)模型，如圖4.2所示。gc(s)為補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)，gvd(s)為低通濾波器的傳遞函數(shù)，vm為載波信號(hào)的峰峰值。從

14、小信號(hào)模型分析，其環(huán)路增益t(s)=h(s)gc(s)gvd(s)/vm。要到到閉環(huán)控制的目的，其環(huán)路增益t(s)要滿足一定的條件： 環(huán)路增益在低頻段要有高增益，呈現(xiàn)積分特性，使系統(tǒng)成為誤差系統(tǒng)； 環(huán)路增益在中頻段要提供足夠的相角裕度，使系統(tǒng)穩(wěn)定； 環(huán)路增益在高頻段要具有-40db/dec的斜率，以抑制高頻干擾。4.2 buck變換器的閉環(huán)電路參數(shù)設(shè)計(jì)4.2.1 gvd(s)的傳遞函數(shù)分析在ccm情況下，占空比（d）到輸出電壓（vo）的小信號(hào)傳遞函數(shù)為： （式4-1）其中，該buck變換器的輸入電壓為30v60v（額定輸入為48v），輸出電壓為24v，輸出電流為2a，lf=380uh，cf=4

15、.7uf，取rl=5m，rc=25m，用mathcad畫出gvd(s)的幅頻特性曲線及相頻特性曲線，如圖4.3（a）、圖4.3（b）所示。下面為mathcad計(jì)算過程： 圖4.3（a） gvd(s)的幅頻特性曲線從圖4.3(a)可以求得，gvd(s)的低頻增益為33.625db，諧振頻率fr=2.52khz，截止頻率fc=18.67khz，并且斜率為-40db/dec，這是一個(gè)典型的低通濾波器。遇到濾波電容cf的esr產(chǎn)生的零點(diǎn)處頻率636.6khz時(shí)，幅頻特性曲線斜率變?yōu)?20db/dec。圖4.3(b) gvd(s)的相頻特性曲線從4.3（b）圖中可求得，其相角裕度為5.868度?？梢钥闯?/p>

16、，相角裕度不足，要進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。4.2.2 補(bǔ)償環(huán)節(jié)gc(s)的設(shè)計(jì)對(duì)于補(bǔ)償電路有很多種形式，有單零補(bǔ)償、單極補(bǔ)償、單零單級(jí)補(bǔ)償、單零雙極補(bǔ)償、雙零雙極補(bǔ)償、雙零三極補(bǔ)償，下面以下的5中方式進(jìn)行補(bǔ)償，并做出比較。 單極補(bǔ)償； 單零單極補(bǔ)償； 單零雙極補(bǔ)償； 雙零雙極補(bǔ)償； 雙零三極補(bǔ)償。用mathcad作出以上5中情況補(bǔ)償?shù)沫h(huán)路增益t(s)的幅頻與相頻特性曲線，如圖4.4(a)、圖4.4(b)所示。經(jīng)過比較，最后選取最佳補(bǔ)償情況，第五種補(bǔ)償方法：雙零三極補(bǔ)償。圖4.4(a) 5種補(bǔ)償方式的環(huán)路增益t(s)的相頻特性曲線圖4.4(b) 5中補(bǔ)償方式的環(huán)路增益t(s)的相頻特性曲線從gvd(s)的

17、幅頻特性及相頻特性分析可知：低頻增益為33.625db，截止頻率fc=18.67khz，相角裕度為5.868度。則其低頻增益太小，截止頻率不是足夠大，相角裕度過小。因此要進(jìn)行補(bǔ)償，從環(huán)路增益t(s)=gvd(s)gc(s)h(s)/vm來分析。（1）確定環(huán)路增益的截止頻率fc為了使系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，那么fc越大越好；為了抑制開關(guān)頻率出的干擾，fc取的越小越好。因此，fc要這種考慮。通常取fc=(1/41/6)fs。這里取fc=1/5fs=40khz。由|gvd(40khz)|=0.212得： 若參考電壓vref=5v，則h(s)=5/24；又取vm=2.4v，那么：（2）環(huán)路增益低頻段要有高增

18、益由gvd(s)的幅頻特性曲線可知，在低頻段增益較低，因此要通過補(bǔ)償電路提供積分環(huán)節(jié)，這樣提高了系統(tǒng)的型別，使系統(tǒng)成為誤差系統(tǒng)。（3）環(huán)路增益高頻迅速衰減通過補(bǔ)償電路增加2個(gè)極點(diǎn)，一個(gè)用來消除esr所引起的零點(diǎn)的影響，另一個(gè)用來使高頻段以-40db/dec的斜率衰減。（4）環(huán)路增益要有足夠的相角裕度通過補(bǔ)償電路增加2個(gè)零點(diǎn)，對(duì)二階震蕩環(huán)節(jié)的相位進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得足夠的相角裕度。綜上所述，補(bǔ)償電路采用雙零雙極和積分環(huán)節(jié)的電路，補(bǔ)償電路如圖4.5所示圖4.5 補(bǔ)償電路圖從圖4.4的補(bǔ)償電路圖可得： （式4-2）其中，4.2.3 補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)環(huán)路增益t(s)=gc(s)gvd(s)h(s)/vm

19、，且要保證其截止頻率fc=40khz，并且滿足t(s)性能要求，令：其中，c為截止角頻率，c=2fc。根據(jù)|gc(fc)|=54.34得，1=1/(1.663e-5)。因此，由下面的方程解出各參數(shù)：先取r1=16.63k，則解得各參數(shù)如下：最后取各參數(shù)如下：下面使用mathcad求解gc(s)的過程，同時(shí)圖4.6(a)、圖4.6(b)給出了環(huán)路增益t(s)的幅頻特性及相頻特性曲線，圖4.7(a)、圖4.7(b)給出了選定實(shí)際參數(shù)后的環(huán)路增益t(s)的幅頻和相頻特性曲線。、圖4.6(a) 環(huán)路增益t(s)的幅頻特性曲線圖4.6(b) 環(huán)路增益t(s)的相頻特性曲線 圖4.7(a) 選定實(shí)際參數(shù)后的環(huán)路增益的幅頻特性曲線 圖4.7(b) 選定實(shí)際參數(shù)后的環(huán)路增益的頻特性曲線圖4.7(a) 選定實(shí)際參數(shù)后的環(huán)路增益的幅頻特性曲線從圖4.7(a)、4.7(b)的環(huán)路增益特性曲線可知：滿足t(s)在低頻段有高增益，在截止頻率出斜率為-20db/dec，在高頻段以-40db/dec的斜率衰減；同時(shí)相角裕度為78.525度。5 buck變換器閉環(huán)仿真5.1 buck變換器閉環(huán)仿真參數(shù)及指標(biāo)為了驗(yàn)證閉環(huán)控制的工作原理及正確性，采用saber軟件對(duì)電路做了仿真分析。仿真所用的參數(shù)為：l 輸入直流電壓：vin=3060vdc(額定輸入為48v）；l 輸出直流電壓：vo=24v；l 開關(guān)