BUCK电路的Saber仿真.docx
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BUCK电路的Saber仿真
功率变换器计算机仿真与设计
题目
BUCK变换器电路设计
学生姓名
学号
学院
专业
电气工程及自动化
班级
指导教师
2013年10月20日
一、设计要求
1.1设计指标:
设计一个BUCK直流变换器,主电路拓扑如图1.1(参数需重新设置),使得其满足以下性能要求:
高压侧蓄电池输入电压Vin:
30-60V(额定电压48V)
低压侧直流母线输出电压Vout:
24V
输出电压纹波Vout(p-p):
25mV
输出电流Iout:
2A
开关频率fs:
200kHz
电感电流临界连续时IG:
0.1A
图1.1
二、开环参数计算及仿真
2.1主电路参数计算:
(1)高压侧输入电压Vin变化范围为30-60V,低压侧输出电压Vout为24V,则占空比:
(2)由于输出电流Iout为2A,故负载电阻:
(3)根据电感电流临界连续时IG:
0.1A,可由下式计算得滤波电感感值:
(4)根据输出电压纹波Vout(p-p)为25mV,可由下式计算得滤波电容容值:
取
,其中开关频率
为200KHZ。
在实际器件中,电容存在寄生电阻,因此实际器件仿真时,电容的选取如下:
2.2开关管及二极管应力计算:
(1)开关管的选取
功率管承受的最大电压为60V,流过开关管电流最大值为2A,开关管电压电流降额系数均为0.5,则开关管电压要大于或等于120V,电流最大值要大于4A。
粗略以最大占空比计算电流的有效值为3.2A,则最大功率为384W,取400W。
根据仿真,可选irf460作为开关管。
(2)二极管的选取
二极管电压应力60V,二极管电流有效值为:
。
二极管耐压降额系数为0.6、电流降额系数为0.5,则二极管耐压要大于或等于100V,电流有效值要大于或等于3A。
根据仿真,可选d1n3880作为二极管。
2.3开环仿真结果:
2.3.1理想元器件开环仿真结果:
(1)电路图:
图2.1理想元器件开环主电路图
(2)额定功率下仿真结果:
图2.2输出电压波形
上图为输入48VDC,额定功率下输出电流、电压波形。
如图可知,输出电压平均值为23.75V,纹波为11.11mV;输出电流平均值为1.979A,纹波为0.167A。
基本达到设计要求。
(3)电流临界连续情况:
图2.3输出电压纹波与电感电流纹波波形
上图为负载240Ω时滤波电感电流波形,可知电流变化为0.025A~0.188A,电流基本临界连续,符合设计要求。
2.3.2实际元器件开环仿真结果:
(1)电路图如下:
图2.4开环仿真电路图
上图中,输入电压用额定48VDC,其他器件用所设计的参数,其中占空比为0.5。
1、CCM仿真波形:
输出电压波形和输出电感电流波形,如图2.5
图2.5输出电压波形和输出电感电流波形
从图中可以看出,其输出是稳定的,但是开始时电压和电流的冲击很大,具体值见上图的测量。
2、输出电压和输出电流纹波波形,如图2.6
图2.6输出电压和输出电流纹波波形
如上图,测量其输出电压的峰峰值为20.66mV,小于25mV,满足设计要求。
其中输出电压的纹波为三角形,估计是由于其寄生电阻造成的,使得其波形与电流波形的相位差很小。
3、MOSFET电压电流应力波形,如图2.7
图2.7MOSFET电压电流应力波形
4、二极管的电压电流应力波形,如图2.8
图2.8二极管的电压电流应力波形
下面是对这两个管子的应力分析结果:
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
StressTable
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
DeratedActualStressBar-chart
InstanceSMNameValueValueAtRatio(%)0%100%
irf460.irf460_1
tjmax15022.6k18.9m18100XXXXXXXXXX
irf460.irf460_1
vgsmax201019m50-----
d1n3880.d1n3880_1
piv10047.418.1m47.4-----
irf460.irf460_1
tjavg15077.8---42.3----
irf460.irf460_1
idmax841518.9m17.8--
d1n3880.d1n3880_1
iavg6959m---16--
irf460.irf460_1
vdsmax5004919m9.81-
irf460.irf460_1
vdgmax5004919m9.81-
d1n3880.d1n3880_1
imax15012.918.9m8.59-
d1n3880.d1n3880_1
tjmax15034.319m7.44-
d1n3880.d1n3880_1
pdmax41.72.2119m5.3-
irf460.irf460_1
idavg211.06---5.05-
d1n3880.d1n3880_1
tjavg15030.3---4.24.
d1n3880.d1n3880_1
pdavg41.7999m---2.39.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
三、闭环参数计算及仿真
3.1闭环参数计算:
(1)确定开环传递函数
在CCM情况下,占空比(d)到输出电压(Vo)的小信号传递函数为:
其中:
该Buck变换器的输入电压为30V~60V(额定输入为48V),输出电压为24V,输出电流为2A,Lf=360uH,Cf=600uF,取RL=0Ω,Rc=125mΩ,用Mathcad画出Gvd(s)的幅频特性曲线及相频特性曲线,如图3.1(a)、图3.1(b)所示。
图3.1(a)幅频特性曲线
从图3.1(a)可以测得,G(f)的低频增益为33.625dB,谐振频率fr=250Hz,截止频率fc=2KHz,并且斜率约为-40dB/Dec。
因此可以粗略断定系统的稳定性不是很好,并且估计调节时间也很长。
图3.1(b)相频特性曲线
从3.1(b)图中可求得,其相角裕度为45.586度。
可以看出,相角裕度符合要求,超调不会太大。
以下为Mathcad计算程序:
(2)不加矫正环节的闭环仿真:
(注:
以下仿真均为理想元器件)
电路图如下:
图3.2不加矫正环节的闭环仿真图
这里反馈回路设置为Hs=5/24,PWM的Vm为2.5V,设置输入为30-60V阶跃变换的形式,如下图3.3
图3.3输入阶梯波的设置
可以得到仿真的输出波形为图3.4:
图3.4不加矫正环节的闭环输出
从波形上可以看出,系统的超调不大,但是稳态误差很大,调节时间也比较长,因此需要设计控制器改善稳态误差和调节时间。
(3)增加矫正环节
1、选择如图PI补偿环节
2、确定补偿环节参数
同上取参考电压为5V,则
取
,截止频率取1/5fs,则fc=40kHz,选取详细过程见如下Mathcad程序:
校正后的幅频特性及相频特性曲线如下图3.5(a)和3.5(b):
图3.5(a)校正后的幅频特性曲线
图3.5(b)校正后的相频特性曲线
加入矫正环节的电路图如下:
图3.6加入矫正后的闭环电路图
矫正后的输出波形如下图3.7:
图3.7矫正后的输出波形
从上图中可以看出,最大超调值为30.383V,超调量约为25%,效果理想;其调节时间ts大约2.5ms,效果也很理想,额定输入时输出的稳态纹波值为20.99mV,效果较好。
打开后的波形如图3.8:
图3.8矫正后的输出波形放大图
从这个波形可以看出,闭环系统对阶跃扰动的抑制能力很强。
(4)加入限幅二极管后
经过学习,发现一种可以进一步减小超调的方法,如下图3.9
图3.9加入二极管限幅
加入限幅二极管,设置管压降和稳态时相匹配,这里由于在稳态时比较器的负向端为2.5V左右,因此设置管压降为3.2V。
输出波形如下图3.10
图3.10加入限幅二极管的电压输出波形
可以计算出此时的超调量为21.5%,相比没加入二极管限幅有所减小。
四、总结
经过以上设计以及分析流程,可以大致设计出符合要求的电路参数,满足设计指标。
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- BUCK 电路 Saber 仿真