Buck电路设计与MATLAB仿真

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

Buck电路设计与MATLAB仿真

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0.25Vd

Vo0.5AR

VoTs2(1D)3.纹波电压: 5%Vo8LC2.负载电流: Io4.电流连续条件：ILBIOB得到下列计算结果

DTs(VdVo)2LL(mH) 0.375 0.075 C(μF) 500 100 fs(KHz) 10 50

3、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MOSFET模块(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:

Buck电路设计与MATLAB仿真

B. 记录数据:

仿真算法选择ode23tb,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) 10 50

与理论值对比 开关频率fs(KHz) 10 50 C．仿真过程:

当fs=10KHz,L=0.375mH C=500μF, 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

电感L(mH) 0.375 0.45 0.1875 0.075 0.09 电容C(μF) 500 417 500 100 83.3 输出电压稳态值Vo(V) 5 5 5 5 5 输出电压纹电感电流波波值ΔVo(V) 动值ΔIo(A) 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 1 0.833 2 1 0.833 电感L(mH) 0.375 0.45 0.1875 0.075 0.09 电容C(μF) 500 417 500 100 83.3 输出电压稳态值Vo(V) 4.736 4.339 6.435 4.745 4.396 输出电压纹电感电流波波值ΔVo(V) 动值ΔIo(A) 0.0267 0.0275 0.0510 0.0197 0.0224 1 0.875 1.8 1.014 0.875 Ts2Vo(1D)Vo0.025V,通过图中得到直流纹波电压为0.0267V

8CL当fs=10KHz,L=0.375mH, C=500μF,占空比D=0.25,电流连续的临界状态时, 由ILVo(1D)TS，得电感电流波动理论值是1A ，由图像得到电感电流波动值是

L1A，与理论计算相符合

Buck电路设计与MATLAB仿真

Switch (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)21.51Pulse/V0.50-0.5-10.10870.10880.100.1090.1091Time/s0.10920.10930.10940.1095Inductor Current(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)21.51IL/V0.50-0.5-10.10870.10880.100.1090.1091Time/s0.10920.10930.10940.1095

Uo (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)4.754.7454.74Uo/V4.7354.734.7254.720.04360.04380.0440.04420.04440.0446Time/s0.04480.0450.04520.0454

Figure-1 fs=10KHz,L=0.375mH, C=500μF,占空比D=0.25,电流连续的临界状态

Buck电路设计与MATLAB仿真

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

Pulse (fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)21.51Pulse/V0.50-0.5-10.02450.0250.0255Time/s0.026Inductor Current(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)21.51IL/A0.50-0.5-10.02450.0250.0255Time/s0.026

取1.2倍电感值时

Buck电路设计与MATLAB仿真

Uo (fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)4.414.4054.4Uo/V4.3954.394.3854.380.1970.19750.1980.19850.1990.1995Time/s0.20.20050.2010.2015

Figure-2取1.2倍电感值时 fs=50KHz,L=0.075mH, C=100μF, 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=4.745V，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1.014A

Buck电路设计与MATLAB仿真

Pulse (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)21.51Pulse/V0.50-0.5-10.02470.0248Time/sInductor Current(fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)21.510.02490.025IL/A0.50-0.5-10.02470.0248Time/s0.02490.025

Uo (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)4.7.7554.75Uo/V4.7454.744.73566.026.04Time/s6.066.086.1x 10-3

Figure-3 fs=50KHz,L=0.075mH, C=100μF, 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

Buck电路设计与MATLAB仿真

0.025V，实际为0.0224V

电感电流波动理论值为0.833A，实际值为0.875A

Pulse (fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)21.51Pulse/V0.50-0.5-10.02470.0248Time/sIductor Current(fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)21.510.02490.025IL/A0.50-0.5-10.02470.0248Time/s0.02490.025

Buck电路设计与MATLAB仿真

Uo (fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)4.414.4054.4Uo/V4.3954.394.3854.384.524.544.5.58Time/s4..624.x 10-3

Figure-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式对比

Switch (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)记录数据如下表

21.51开关频率fs(KHz) 10 50 0.1088电感L(mH) 0.375 0.45 0.1875 0.075 0.09 0.10电容C(μF) 500 417 500 100 83.3 0.109电感电流波动值ΔIo(A) 1 0.833 2 1 0.833 电感电流波动实际值ΔIo(A) 1 0.875 1.8 1.014 0.875 0.10930.10940.1095Pulse/V0.50-0.5-1

21.510.1091Time/s0.1092Inductor Current(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)IL/V0.50-0.5-10.10870.10880.100.1090.1091Time/s0.10920.10930.10940.1095

Figure-5 fs=10KHz,L=0.375mH, C=500μF,占空比D=0.25,电流连续的临界状态

Puls0.50-0.5-1Buck电路设计与MATLAB仿真

0.0250.0255Time/s0.026Inductor Current(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)21.521Pulse (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)IL/A0.51.510Pulse/V-0.50.50-10.0245-0.5-10.0250.0255Time/s0.026

0.025Figure-6 fs=10KHz,L=0.45mH, C=417μF,占空比D=0.25

0.02480.0249 Time/sInductor Current(fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)21.512Pulse (fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)IL/APulse/V0.51.501-0.50.5-100.0247-0.50.0248Time/s0.02490.025

Figure-7 fs=50KHz,L=0.075mH, C=100μF, 占空比D=0.25,电流连续的临界状态 -10.02480.02490.025 Time/sIductor Current(fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)21.51IL/A0.50-0.5-10.02470.0248Time/s0.02490.025

Figure-8 fs=50KHz,L=0.09mH, C=83.3μF, 占空比D=0.25

(3)修改占空比，观察直流电压值的变化。 fs=10KHz,L=3.75e-4,C=500μF,临界连续 占空比D(%) Vo(V) 12.5 2.23 25 4.736

50 9.572 75 14.71 90 17.94

Buck电路设计与MATLAB仿真

Vo-D(Vd=20V)2018161412Vo/V1082000.10.20.30.40.5D0.60.70.80.91

Figure-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并与理式比较（需根据电流波形计算D2的大小）。

L1.875104理论值计算：0.1875 4RTS1010 DC22DCDC11820.5

则 ： U0DC10.25US206.67V

DC2DC10.250.52=0.00003 s， ILB,max1.8A,Io0.5AVoDVdD21(Io)4ILB,max2

Buck电路设计与MATLAB仿真

Vo[DTs(VdVo)LIo][DTs(VdVo)VoLIoVo(VdVo)(DTs(VdVo)LIo)]2LCVo(VdVo)

Vo0.0373V实际仿真值：6.435V V

可见理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。

Pulse (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)21.51Pulse/V0.50-0.5-10.1290.12910.12920.1293Time/s0.12940.12950.1296Iductor Current (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)21.51IL/A0.50-0.5-10.1290.12910.12920.1293Time/s0.12940.12950.1296

Buck电路设计与MATLAB仿真

Uo (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)6.466.456.44Uo/V6.436.426.416.40.0170.01710.01720.0173Time/s0.01740.01750.01760.0177

Figure-10 fs=10KHz,L=0.1875mH, C=500μF,占空比D=0.25

4、实验总结::

通过本次的实验，使我在原有的基础上对MATLAB有了更深一步的了解，不仅熟练了操作，而且也学会用仿真方法发现问题，并解决问题。本次实验与电力电子学知识紧密结合，通过实际的仿真现象，使我更加熟知了课本中的原理概念，更加形象的理解了Buck变换器的工作原理。