计算机仿真技术-Chapter6

1第六章Buck变换器仿真21电路拓扑降压式(Buck)变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。Buck变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成。3理想的电力电子变换器为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的理想条件是：（1）开关管T和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零；（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件；（4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。OOSSIVIV4降压原理对开关管T加驱动信号VG,开关周期为TSSSoffonSODVVTTVV25VG0,T管导通SLDSEOiiiV0SonDTT6VG=0,T管阻断LDEOii0SonSoffTDTTT)1(7控制方式(1)脉冲宽度调制方式PWM(PulseWidthModulation)开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度(2)脉冲频率调制方式PFM（PulseFrequencyModulation）脉宽不变，改变开关频率或周期。(3)改变输出脉冲电压的宽度同时改变开关频率-混合型。8全控型开关管续流二极管LC输出滤波负载Buck变换器电路输出电压LC滤波滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻滤波电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。Q：如何选取LC？直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压。9电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。•分V处于通态和处于断态•初始条件分电流连续和断续10同样可以从能量传递关系出发进行的推导由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变电源只在V处于通态时提供能量在整个周期T中，负载消耗能量输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。11工作模式开关管导通，电感储能。开关管关断，二极管续流。开关管关断，电流不连续。122电流连续时的原理分析假设条件(1).所用电力电子器件理想，即Q和D的导通和关断时间为0，通态电压为0，断态漏电流为0；(2).在一个开关周期中，输入电压Vin保持不变；输出滤波电容电压，即输出电压认有很小的纹波，但可认为基本保持不变，其值为Vo；(3).电感和电容均为无损耗的理想储能元件；(4).不计线路阻抗。(5).在[0，Ton]期间，Q导通；(6).在[Ton，Ts]期间，Q截止。(7).设开关管开关周期为Ts，则Ts=Ton+Toff,开关频率fs＝1／Ts。(8).若设占空比为D1，则D1=Ton／Toff。(9).改变占空比D1，即改变了导通时间Ton的长短，这种控制方式称为脉冲宽度调制控制方式(Pulsewidthmodulation，PWM）13模式1[0,Ton]outinLffVVdtdiL1)(DTLVVTLVVisfoutinonfoutinLf14模式2[Ton,Ts]outLffVdtdiL)1(1)(DTLVTLVisfoutofffoutLf15输入输出关系LfLfLfiii)()()1(11DTLVDTLVVsfoutsfoutin1DVVinout163电流不连续时的原理分析Mode1Mode2Mode3电感较小、电阻较大或开关周期较大时，会出现一个周期内电感电流下降为0，新周期电流从0开始增加。17输入输出关系LfLfLfiii)()(21DTLVDTLVVsfoutsfoutin211DDDVVinout121DD?2D18稳态负载电流RVIouto])(21[1221DTLVTDDTIsfoutssO022122DDDsRTL/281212DDD19电感电流连续临界条件oLfIi21连续状态：不连续状态：oLfIi21临界状态：oLfIi21)1(2211DTLVDTLVVRVsfoutsfoutinout临界电感：scTRDL2)1(1204纹波电压分析222121sLfttcTidtiQffsofoCLTVDCQV822oLcIii充电电流波动引起直流电压纹波215作业四Buck电路设计与仿真（1）设计一降压变换器，输入电压为20V，输出电压5V，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。提示：根据输入、输出电压求占空比。求电流连续与不连续的临界电感值Lc，实际电感可选为1.2倍的临界电感，保证电流连续。根据纹波电压指标计算电容值。比较说明开关频率与无源器件的关系。22（2）利用simpowersystems中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。提示：输入电压为20V的直流电压源。开关管选MOSFET模块，用PulseGenerator模块产生脉冲驱动开关管。使用上一步中计算所得的电感、电容值（开关频率不同时，电感、电容也做相应变化）。23（3）运行仿真模型，进行如下分析(两种开关频率)。使用理论计算的占空比，画出直流电压波形，计算稳态直流电压值，修改占空比，观察直流电压值的变化。画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。24（4）将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型，进行如下分析(开关频率10K)。画出电感电流波形，观察不连续电流的波形。占空比不变，画出直流电压波形，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）。