Buck電路設(shè)計與MATLAB仿真設(shè)計

1、Buck電路設(shè)計與仿真姓 名：朱龍勝班級：電氣1102學號：11291065日 期：2014年5月10日指導(dǎo)老師：郭希錚北京交通大學計算機仿真技術(shù)作業(yè)四題目:Buck電路的設(shè)計與仿真1、Buck電路設(shè)計：設(shè)計一降壓變換器，輸入電壓為20Y,輸出電壓5V,要求紋波電壓為輸出電壓的0.5%, 負載電阻10歐姆，求工作頻率分別為10kHz和50kHz時所需的電感、電容。比較說明不同 開關(guān)頻率下，無源器件的選擇。2、Buck電路理論計算：由以下公式計算：V1. 占空比：£> =二=0.25"d2. 負載電流：/, = = 0.5A° R3. 紋波電壓： 電=0_4

2、= 5%K 8LC4電流連續(xù)條件：/“=/%=“mo得到下列計算結(jié)果E(KHz)L (mH)C(PF)100. 375500500. 0751003、Buck電路仿真:利用shnpowersystems中的模塊建立所設(shè)計降壓變換器的仿真電路。輸入電壓為20V 的直流電壓源，開關(guān)管選MOSFET模塊(參數(shù)默認)，用Pulse Generator模塊產(chǎn)生脈沖驅(qū)動 開關(guān)管。分別做兩種開關(guān)頻率下的仿真。(1)使用理論計算的占空比(D=0.25),記錄直流電壓波形，計算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，計算 穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓，并與理論公式比較，驗證設(shè)計指標。4、仿真過程：A. 建立模型：建立仿真模型如下如所示：B. 記錄

3、數(shù)據(jù)：仿真算法選擇ode23tb.最大步長為0. Is,占空比D二0. 25進行仿真，記錄數(shù)據(jù)如下表所示:開關(guān)頻率 /l(KHz)電感L (mH)電容 C(uF)輸出電壓穩(wěn) 態(tài)值K(V)輸出電壓紋 波值A(chǔ) K (V)電感電流波 動值100. 3755004.7360. 026710. 454174.3390. 02750. 8750. 18755006. 4350. 05101.8500. 0751004. 7450.01971.0140. 0983.34.3960. 02240. 875與理論值對比開關(guān)頻率 /l(KHz)電感L (mH)電容 C(uF)輸出電壓穩(wěn) 態(tài)值K(V)輸出電壓紋 波

4、值A(chǔ) K (V)電感電流波 動值100. 37550050. 02510. 4541750. 0250. 8330. 187550050. 0252500. 07510050. 02510. 0983.350. 0250. 833C. 仿真過程：當/>10KHz,L=0. 375mH C=500 uFr占空比D=0. 25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)時，記錄穩(wěn)態(tài) 直流電壓值VF4.736V,穩(wěn)態(tài)直流電壓理論值5V計算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓的理論值A(chǔ)V = 聲_：D)= 0.025V，通過圖中得到直流紋波電壓為0. 0267V oCL當fs=10KHztL=0. 375mH, C=500uF,占空比D=

5、0. 25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)時.由A/ 上1")乞 得電感電流波動理論值是M ,由圖像得到電感電流波動值是L1A,與理論計算相符合2 5 1 5 0 5 1 0-0 zvaEnd-10.10870.10880.10890.1090.10910.10920.10930.10940.1095Tlme/sInductor Current(fs=l0KHz ,L=0.375mH,C=500uF)21.513 0.50-0.50.10870.10880.10890.1090.10910.10920.10930.10940.1095TimersUo fsiOKHz丄4.754.7454.74|

6、 4.7354.734.7254.720.04360.04380.0440.04420.04440.04460.04480.0450.04520.0454Time/sFigure-l fs=lOKHz,L=O. 375mH, C=500uF,占空比 D=0. 25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)取12倍臨界電感值時，輸出電壓穩(wěn)態(tài)值是4. 399V,理論值是5V,紋波電壓理論值 0. 025V記錄波形測得紋波電壓為0. 0275V電感電流波動理論值為0. 833A,由圖像得到電感電 流波動值是0. 875APulse (fs=1OKH乙21.50.0250.02550.026Timerso 500.0245

7、01.51050.0250.0260.02450.0255 Time'sInductor Current(ts=10KHz.L=0.45mH,C=4l7uF)取12倍電感值時BUo (fc=1OKHz,L=0.45mH,C=417uF)Time/sFigure-2取1.2倍電感值時/>50KHz,L=0. 075mH, ChOuu卜.占空比D=025,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)時，記錄穩(wěn)態(tài)直 流電壓值V<=4. 745V,理論值是5Y,穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓理論值0. 025V,由輸出電壓波形得到 實際值為0.0197V電感電流波動理論值為1A,測呈值為1.014A0.02480.024

8、9Tlme/s2 5 1 5 0 5 1 0-0 zvaEnd0.02470.025Inductor Current(fs=50KHz,L=0.075mH,C=l OOuF)21.50050.0248Time/s0.02490.02470.0254.7554.75£B4.7454.744.73566.026.046.066.086.1Time's2 4門心Uo (fs=50KHz丄4.76Figure-3 />50KHz,L=0. 075mH, C=100uF,占空比 D=0. 25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)取l2倍臨界電感時，輸出電壓平均值為4.396V,理論值是5V,紋波

9、電壓理論值為0. 025V,實際為 0. 0224V電感電流波動理論值為0.833A,實際值為0. 875APulse (fs=50KH乙Time'sTime'sTimersFigure-4取1.2倍電感時(2)畫出電感電流波形，計算電流波動值并與理論公式對比 記錄數(shù)搖如下表開關(guān)頻率f. (KHz)電感L(mH)電容C(uF)電感電流波 動值厶(A)電感電流波動實際值A(chǔ) 1(A)100. 375500110.454170. 8330. 8750. 187550021.8500. 07510011.0140. 0983.30. 8330. 875TimersFigure-5 fs

10、=10KHz,L=0. 375mHt 0=500 uF.占空比 D=0. 25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)Time'sFigure-6 fs=10KHztL=0. 45mHt C=417uFt 占空比 D=025Time/sFigure-7 f>50KHz,L=0. 075mH, OlOOuF,占空比 D=0. 25,電流連續(xù)的臨界狀態(tài)Time/sFigure-8 />50KHz,L=0 09mH, C=83. 3 u F,占空比 >0. 25(3)修改占空比，觀察直流電壓值的變化。fs=10KHz,L=3. 75e-4tC=500 u F臨界連續(xù)占空比0(%)12.5255

11、07590Vo (V)2.234.7369. 57214.7117. 94Vo-D(Vd=20V)2018161412> 6 106 - , /4 -2、/ /01 11 1100.10.20.30.40.50.60.70.80.91DFigure-9輸出電壓與占空比關(guān)系曲線（4）將電感改為臨界電感值的一半，運行仿真模型（只仿真開關(guān)頻率10k時的情況，使用 理論計算的占空比）：記錄電感電流波形，電感電流波動值為1.8A觀察不連續(xù)電流的波形； 記錄直流電壓波形，計算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，與理論公式6. 67V對比，實際值6. 435V并與同 一占空比下電流連續(xù)時的直流電壓值4. 736V進行比較

12、；計算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓，由圖中得 到紋波電壓為0. 0510V并與理論公式比較（需根據(jù)電流波形計算D2的大小）。理論值計算：r = -=1S7>-1(-=0.1875= 0.5RTs 10xl04DC2 =以命嚴廠品r 2。仝枷A? =0.00003 s,Z, = 0.645AD2)AV _卩7（耳一匕）一匕刃；（匕一匕,）匕一匕匕+"-匕）（。7；化一匕）厶人）°2LCV（yvjAV = 0.0373V實際仿真值:6. 435V V可見理論公式算出來的值比實際仿真出來的值要大一些，是由于反并聯(lián)二極管作用 導(dǎo)致。但是，在同一占空比情況下，電流不連續(xù)情況下比連續(xù)情況的輸出電壓大， 比較穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓：由圖像得到輸出電壓的紋波為0. 0510V在同一占空比的情況下，電流不連續(xù)情況下的紋波電壓比連續(xù)情況明顯增大。UUOUU0.1290.129621.50050.12910.12920.12930.12940.1295Time/sIductor Current (fs=l0KHz丄=0.l875mH,C=500uFD=0.25)0.12910.12920.1293 Time's0.12940.12950.1290.12960.0170.01710.01720.01730.01740.01750.