Buck电路设计与MATLAB仿真

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1、Buck电路设计与仿真名：班 级： 电气1102学 号：日 期：2014年5月10日 指导老师：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 = 0.25Vd2. 负载电流：I = o = 0.5Ao R8LC3. 纹波电压：二=弓(1 D = 5%Vo4. 电流连续条件：I = I =

2、 匕 0LB OB 2L得到下列计算结果仁(KHz)L(mH)C(|1F)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M0SFET模块(参数默认)，用Pulse Genera tor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：建立仿真模型如下如所示:B.记录数据：仿真算法选择ode23tb,最

3、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 f (KHz)电感 L(mH)电容C(|1F)输出电压稳 态值V (V)输出电压纹 波值 V(V)电感电流波 动值lo(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 f (KHz)电感L(mH)电容C(|1F)输出电压稳 态值V (V)输出电压纹 波值 V(V)电感电流波 动值lo(A)100.375500

4、50.02510.4541750.0250.8330.187550050.0252500.07510050.02510.0983.350.0250.833C仿真过程：当f10KHz, L=0.375mH C=500 F,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V =4.736V，稳态直流电压理论值5Vo计算稳态直流纹波电压的理论值T 2V (1 D)AV = o= .25V ,通过图中得到直流纹波电压为0.0267Vo8CL当fs=10KHz,L=0.375mH, C=500 n F,占空比D=0.25,电流连续的临界状态时，V (1 D )T由AI s，得电感电流波动理

5、论值是1A，由图像得到电感电流波动值是LL1A,与理论计算相符合1.550V/esluSwitch0-0.5-10.1087 0.1088 0.1089 0.109 0.1091 0.1092 0.1093 0.1094 0.1095Time/s4.7350.1087 0.1088 0.1089 0.109 0.1091 0.1092 0.1093 0.1094 0.1095 Time/s4.754.7454.744.734.725Uo (fs=10KHz丄=0.375mH,C=500uF)4.720.04360.04380.0440.04420.04440.04460.04480.0450.

6、04520.0454Time/sFigure-1 fs=10KHz,L=0.375mH, C=500 u F,占空比 D=0.25,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 0.875A0.0250.026002450.0255Time/sPulse (fs=10KHz丄=0.45mH,C=417uF)00-V/esluPTime/s取1.2倍电感值时4.414.4054.4llllllllli1!I I .11 II !

7、LiUo (fs=10K Hz, L=0.45mH,C=417uF)1itr；HuhIi ii I4.3954.39III Liiiiimii1U IIII I1 I IIII I4.385ii4.380.197 0.1975 0.198 0.1985 0.199 0.1995 0.2 0.2005 0.201 0.2015Time/sFigure-2取1.2倍电感值时f50KHz, L二0.075mH, C二1OO|1F,占空比D二0.25，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. 019

8、7V电感电流波动理论值为1A,测量值为1.014APulse (fs=50KHz 丄=0.075mH,C=100uF)2 5 1 510V/eslu-0.56.02470.02480.02490.025Time/s0.02470.02480.0249Time/s0.025Figure-3 fS=50KHz,L=0.075mH, C=100 n F,占空比 D=0.25,电流连续的临界状态s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V/esluP-10.0247 0.0248 0.0249Time/sPulse (fs=50KH z, L=0.09mH,C

9、=83.3uF)2 5 1 5 0 51 0 0-0.02521.510.50-0.5Iductor Current(fs=50KH z丄=0.09mH,C=83.3uF)!6.02470.02480.02490.025Time/s0.025V,实际为 0.0224V电感电流波动理论值为0.833A，实际值为0.875ATime/sx 10-30.1095Time/sFigure-4取12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开关频率 f (KHz)电感 L(mH)电容C(|1F)电感电流波 动值l(A)电感电流波动实 际值1(A)s100.375500110.454

10、170.8330.8750.187550021.8500.07510011.0140.0983.30.8330.875记录数据如下表Switch (fs=10KHz 丄=0.375mH,C=500uF)1.510.5(0.10880.10890.1090.10920.10930.1094-0.0.1091 Time/sFigure-5 fs=10KHz,L=0.375mH, C=500 n F,占空比 D=0.25,电流连续的临界状态-0.5实用标准文案-10.0250.02550.026Time/sInductor Current(fs=10KH z,L=0.45mH,C=417uF)A/L

11、I1 5 02 05Pulse (fs=50KHz 丄=0.075mH,C=100uF)505 -.00.02450.0250.02550.026-0.5-1Time/sFigure-6 fs=10KHz,L=0.45mH, C=417|uF,占空比 D=0.250.02480.0249Time/s0.0251247V/esluP1.52Inductor Current(fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)-0.5Figure-7 f=50KHz-1 s0.0248 0.0249Time/s,L=0.075mH, C=100 u F,占空比 D=0.250.0248 0.02

12、49Time/s0.025,电流连续的临界状态0.02521.510.50-0.5-1Iductor Current(fs=50KH z丄=0.09mH,C=83.3uF)0.0247 0.0248 0.0249 0.025Time/sFigure-8 f =50KHz,L=0.09mH, C=83.3|uF,占空比 D=0.25s(3) 修改占空比，观察直流电压值的变化。fs=10KHz,L=3.75e-4,C=500 n F,临界连续占空比D(%)12.525507590Vo(V)2.234.7369.57214.7117.94Figure-9 输出电压与占空比关系曲线（4）将电感改为临界

13、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：eRTS1.875 x 10410 X 104二 0.1875D/DT赢 - Dei 二 0.5C22U =DeiU = 025 x 20 = 6.67V0 D + D s 0.25 +

14、 0.5C 2C1A =0.00003 s,2I = 1.8A,LB,maxI = 0.645AoV _ D 2Vd D 2 + ；（諾一）4ILB,maxDT (V - V ) - LI DT (V - V )V - LI V + (V - V )(DT (V - V ) - LI ) V =s d oos d o oo_odos dooo2LCV (V - V )o d oV = 0.0373Vo实际仿真值：6.435V V可见理论公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

15、： 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=10KH z丄=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)2 5 1 510V/eslu0-0.5 _-10.1290.12910.12920.12930.12940.12950.1296Time/sTime/sTime/sFigure-10 fs=10KHz,L=0.1875mH, C=500 u F,占空比 D=0.254、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。