Buck电路设计与MATLAB仿真设计.docx
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Buck电路设计与MATLAB仿真设计
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
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:
得到下列计算结果
fs(KHz)
L(mH)
C(μF)
10
0.375
500
50
0.075
100
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。
(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)
电感L(mH)
电容C(μF)
输出电压稳态值Vo(V)
输出电压纹波值ΔVo(V)
电感电流波动值ΔIo(A)
10
0.375
500
4.736
0.0267
1
0.45
417
4.339
0.0275
0.875
0.1875
500
6.435
0.0510
1.8
50
0.075
100
4.745
0.0197
1.014
0.09
83.3
4.396
0.0224
0.875
与理论值对比
开关频率fs(KHz)
电感L(mH)
电容C(μF)
输出电压稳态值Vo(V)
输出电压纹波值ΔVo(V)
电感电流波动值ΔIo(A)
10
0.375
500
5
0.025
1
0.45
417
5
0.025
0.833
0.1875
500
5
0.025
2
50
0.075
100
5
0.025
1
0.09
83.3
5
0.025
0.833
C.仿真过程:
当fs=10KHz,L=0.375mHC=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
通过图中得到直流纹波电压为0.0267V
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
,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1A,与理论计算相符合
Figure-1fs=10KHz,L=0.375mH,C=500μF,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0.875A
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
Figure-3fs=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
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论公式对比
记录数据如下表
开关频率fs(KHz)
电感L(mH)
电容C(μF)
电感电流波动值ΔIo(A)
电感电流波动实际值ΔIo(A)
10
0.375
500
1
1
0.45
417
0.833
0.875
0.1875
500
2
1.8
50
0.075
100
1
1.014
0.09
83.3
0.833
0.875
Figure-5fs=10KHz,L=0.375mH,C=500μF,占空比D=0.25,电流连续的临界状态
Figure-6fs=10KHz,L=0.45mH,C=417μF,占空比D=0.25
Figure-7fs=50KHz,L=0.075mH,C=100μF,占空比D=0.25,电流连续的临界状态
Figure-8fs=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(%)
12.5
25
50
75
90
Vo(V)
2.23
4.736
9.572
14.71
17.94
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:
则:
实际仿真值:
6.435VV
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:
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。
Figure-10fs=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。
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- 关 键 词:
- Buck 电路设计 MATLAB 仿真 设计