华南理工大学电力电子Buck电路课程设计报告

华南理工大学课程设计论文1课程设计说明书课程名称：电力电子课程设计设计题目：Buck电路的建模与仿真专业：电气工程及其自动化班级：11电气（4）班学号：20113021****姓名：郑*东指导教师：杨*明华南理工大学电力学院二○一五年一月华南理工大学课程设计论文21．题目Buck电路建模、仿真2．任务建立Buck电路的方程，编写算法程序，进行仿真，对仿真结果进行分析，合理选取电路中的各元件参数。3．要求课程设计说明书采用A4纸打印，装订成本；内容包括建立方程、编写程序、仿真结果分析、生成曲线、电路参数分析、选定。V1=60V±10%V2=36VI0=0~1Af=50kHZ华南理工大学课程设计论文3目录1.参数估算...................................................................................................................................42.电路动态模型...........................................................................................................................42.1.电路微分方程...............................................................................................................42.2.电路响应分析...............................................................................................................53.Buck电路动态计算与分析.....................................................................................................63.1.Matlab编程与计算......................................................................................................63.2.Buck电路响应分析.....................................................................................................84.电路参数的确定.......................................................................................................................94.1.开关频率分析...............................................................................................................94.2.电感分析及选择.........................................................................................................104.3.电容分析及选择.........................................................................................................115.Simulink仿真........................................................................................................................145.1.模型搭建.....................................................................................................................145.2.仿真结果及分析.........................................................................................................146.总结.........................................................................................................................................17参考文献.........................................................................................................................................17华南理工大学课程设计论文41.参数估算已知buck电路中12o60V10%36V0~1A50kHzVVIf以下，记电源电压为E，输出电压为oU，输出电流为oI。根据已知条件可推算部分参数。假设L无穷大，负载电流oI维持不变。V处于通态时，二极管压降为E，V关断时，二极管压降为零，则二极管电压平均值为ononVTonoffttUEEEttTont为V处于通态的时间；offt为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。考虑到在VD、L、R回路中，电感一个周期内电压平均值为零，所以输出电压平均值为oVTUUE根据能量传递关系，在一个周期内，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即2oonoEItRIT则oEIR或oERI将参数代入，算得0.55~0.6736R2.电路动态模型2.1.电路微分方程以流经电感的电流Li和电容上的电压Cu为状态变量，V处于通态时，根据华南理工大学课程设计论文5基尔霍夫定律建立如下一阶线性微分方程组LCCCLddd()diLuEtuuRiCt化成标准形式LCCLCd1()dd11diEutLuiutCRC若消去状态变量Li，以仅含Cu的二阶微分方程表示，有，CCCdd()dduuCtRLEut即2CCC2dd11dduuEutRCtLCLC(2-1)式2-1为二阶非齐次线性方程，其解由通解和特解构成。方程的特解为*CuE。特征方程为2110rrRCLC，判别式224LRLCRLC一般取大于零的值。故通解形式为12C12eerxrxuCC其中，221222142142LRLCRCRLCrLRLCRCRLCr方程的解为12C12eerxrxuCCE。根据初始状态可以确定1C、2C的值。当V关断时，电路的状态方程类似，仅需将E替换为0.2.2.电路响应分析取华南理工大学课程设计论文640101RLmHCF当电源电压为60V时，求解得电路的零状态响应为500020000C80e20e60ttu若场效应管导通够不关断，则电容的波形如下图2-1可见，经过一段时间充电后电路达到稳态，此时电感电流是一个常数。如果关断场效应管，通过解电路的微分方程，得到的零激励响应形式为12C12eerxrxuCC，电容电压波形如下图2-23.Buck电路动态计算与分析3.1.Matlab编程与计算根据电路的状态方程00.20.40.60.811.21.41.61.82x10-3010203040506000.10.20.30.40.50.60.70.80.91x10-30102030405060华南理工大学课程设计论文7LCCLCd1()dd11diEutLuiutCRC对状态变量Li、Cu，通过Matlab的ode45函数，可得到数值解及其时域特性。设定参数4011RLmHCF，600.610EVfkHz编制程序如下子函数：functiondx=buckE(t,x,flag,R,L,C,E)dx=[1/L*(E-x(2));(x(1)-x(2)/R)/C];endfunctiondx=buck0(t,x,flag,R,L,C)dx=[1/L*(0-x(2));(x(1)-x(2)/R)/C];end主函数：opt=odeset;opt.reltol=1e-8;%设置R=40;%电阻L=10e-1;%电感C=1e-6;%电容f=5e4;%频率T=1/f;%周期E=60;%电源电压alpha=0.6;%占空比x=[0,0];t=0;x0=[0,0];n=2000;%给定进行运算的周期数量fork=1:nifmod(k,2)==1;%导通时[t1,y]=ode45('buckE',[(k-1)/2*T,(k-1)/2*T+alpha*T],x0(end,:),opt,R,L,C,E);x0=y;else%关断时[t1,y]=ode45('buck0',[(k-2)/2*T+alpha*T,k/2*T],x0(end,:),opt,R,L,C);x0=y;endt=[t;t1];x=[x;y];endplot(t,x);%输出电感电流、电容电压的波形华南理工大学课程设计论文83.2.Buck电路响应分析运行程序得到以下波形图3-1可见，Buck电路接通后，需要经过一段时间才能建立稳态。在最初的一个0.00002s周期内，以及稳态建立的整段时间内，电容电压持续提升，电感电流则仅在导通期间增加。第一个周期内的LC,iu如下变化图3-2电容电压，即输出电压oU经过一段时间后稳定在36V左右，电感电流Li也稳定在0.9A左右。由于电路处于高频的切换状态，oU和Li也存在小幅的高频波动，在一个很小的尺度下可以观察到其偏离平均值的波动情况如下图3-3事实上，在每一个切换周期内波动的曲线应该是指数形式的增长或衰减，00.0050.010.0150.020.0250510152025303540电感电流电容电压00.511.522.5x10-500.010.020.030.040.050.060.070.080.09t/siLuC00.511.522.533.544.5x10-4-5-4-3-2-101234x10-3华南理工大学课程设计论文9但由于计算的精度限制，得到的电流波动曲线近似于三角波。而电容电压的变化则滞后于电感电流的变化。4.电路参数的确定Buck电路，对于一个确定的电源电压，可以通过选择占空比得到希望的输出电压，输出电流则可以通过改变电阻来调整。需要深入探究的电路参数是开关频率、电感和电容的取值，下面研究,,fLC取值对电路暂态过程及稳态的影响，并确定合适的参数取值。4.1.开关频率分析其余参数不变，f取不同值时，电容电压和电感电流如下图4.1-1频率越低，达到稳态越快，但电压、电流波动幅度较大；频率升高，达到稳态需要的时间长，而电压、电流在稳态时更加稳定。当开关频率为500Hz时，Cu首次超过36V的时间低于0.01s，但之后的电压随V的导通和关断而处于可观测的明显波动状态，波动幅值超过10%。这一频率下电路的输出电压含较多低频谐波（相对50kHz时的输出电压而