Buck电路的设计与仿真

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。解：（1）工作频率为10kHz时，A.主开关管可使用MOSFET，开关频率为10kHz；B.输入20V，输出5V，可确定占空比Dc=25%；C.根据如下公式选择电感HTRDLscc41075.3100001210)25.01(2)1(这个值是电感电流连续与否的临界值，LcL则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H4105.4；D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值2008)1(scTULDUC241000015005.0105.48)25.01(5=F41017.4（2）工作频率为50kHz时，A.主开关管可使用MOSFET，开关频率为50kHz；B.输入20V，输出5V，可确定占空比Dc=25%；C.根据如下公式选择电感HTRDLscc41075.0500001210)25.01(2)1(这个值是电感电流连续与否的临界值，LLc则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H4109.0；D.根据纹波的要求和如下公式计算电容值2008)1(scTULDUC245000015005.0109.08)25.01(5=F410833.0分析：在其他条件不变的情况下，若开关频率提高n倍，则电感值减小为1/n，电容值也减小到1/n。从上面推导中也得出这个结论。2、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PulseGenerator模块产生脉冲驱动开关管。分别做两种开关频率下的仿真。（一）开关频率为10Hz时；(1)使用理论计算的占空比，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。由第一步理论计算得占空比Dc=25%；实验仿真模型如下所示（稳态直流电压值为4.299V）：XXXXXX大学计算机仿真作业四实验报告书XXXXX2直流电压整体波形如下所示：细微波形如下所示：计算稳态直流纹波电压：利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“VariableEditor–buck.signals(1,4).values”下，观察直流电压瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为4.308628V，最小值为4.286866V，所以得到VUo021762.0。005.0352.40021762.0UoUo仿真结果与理论值基本相同。(2)画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。电感电流波形如下所示：计算电流波动值：XXXXXX大学计算机仿真作业四实验报告书XXXXX3利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“VariableEditor–buck.signals(1,3).values”下，观察电感电流瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8390A，最小值为0.0076A，所以得到AiL8314.0。理论计算如下所示：ATDLUiSCL833.0100001)25.01(105.45)1(40仿真结果与理论值基本相同。(3)修改占空比，观察直流电压值的变化。A．占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为3.418V；B．占空比Dc=50%时，直流电压的波形值如下所示，大小为9.589V；C．占空比Dc=70%时，直流电压的波形值如下所示，大小为13.95V；分析：VV09.172.0418.3；VV178.195.0589.9；VV9286.197.095.13.随着占空比的增加，由公式CSODUU，可知输出电压值逐渐增加。(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，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，与理论公式对比，并与同一占空比下电流连续时的直流电压值进行比较；计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较（需根据电流波形计算D2的大小）。电感电流波形如下所示（电流出现断续）：XXXXXX大学计算机仿真作业四实验报告书XXXXX4从上图中可以读到，512.510csDTs，524.510csDTs，sTS410，得到10.25cD，20.45cD；直流电压波形如下所示（稳态直流电压值为6.462V）：从上图中可以读到，0.065oUV；在同一占空比下连续电流时，直流电压值为4.298V；由连续电流和断续电流下的电压值相比较，可以看到连续电流下的直流电压值较小，断续时的直流电压值较大。理论公式如下：其中10.25cD，1875.0101010875.144SRTL，4221121.875100.2580.251810100000.522ccscLDDRTD；1120.25206.670.250.5cosccDUUVDD可见实验测量值与理论计算值基本相近。理论计算稳态直流纹波电压：21442(1)5(10.25)10.06881.875104.171010000ocosUDUTVLC可见与仿真中得到的0.065V相近。（二）开关频率为50Hz时；(1)使用理论计算的占空比，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。由第一步理论计算得占空比Dc=25%；实验记录稳态直流电压值为4.396V；直流电压波形如下所示：XXXXXX大学计算机仿真作业四实验报告书XXXXX5计算稳态直流纹波电压：利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“VariableEditor–buck.signals(1,4).values”下，观察直流电压瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为4.405408V，最小值为4.383011V，所以得到VUo022397.0。00509.0396.4022397.0UoUo仿真结果与理论值基本相同。(2)画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。电感电流波形如下所示：计算电流波动值：利用Matlab菜单栏的“Desktop”中选中“Worksapce”，并将命名为buck的数据组打开，并在“VariableEditor–buck.signals(1,3).values”下，观察电感电流瞬时值：通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8723A，最小值为0.0100A，所以得到AiL8623.0。理论计算如下所示：ATDLUiSCL8333.0500001)25.01(109.05)1(40仿真结果与理论值基本相同。(3)修改占空比，观察直流电压值的变化。A．占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为3.456V；B．占空比Dc=50%时，直流电压的波形值如下所示，大小为9.579V；XXXXXX大学计算机仿真作业四实验报告书XXXXX6C．占空比Dc=70%时，直流电压的波形值如下所示，大小为13.68V；分析：VV28.172.0456.3；VV158.195.0579.9；VV543.197.068.13.随着占空比的增加，由公式CSODUU，可知输出电压值逐渐增加。2010.05.29