題目-Buck電路的設計與仿真

1、題目：Buck電路的設計與仿真1、Buck電路設計：設計一降壓變換器，輸入電壓為20V，輸出電壓5V，要求紋波電壓為輸出電壓的0.5 %,負載電阻10歐姆，求工作頻率分別為10kHz和50kHz時所需的電感、電容。比較說明不同開關(guān)頻率下，無源器件的選擇。解：(1 )工作頻率為10kHz時，A. 主開關(guān)管可使用 MOSFET ,開關(guān)頻率為10kHz ;B. 輸入20V，輸出5V，可確定占空比 Dc=25% ;C. 根據(jù)如下公式選擇電感Lc 3RTs(1 °25)10 丄 3.75 10 4h2 2 10000這個值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，L> Lc則電感電流連續(xù)，實際電感值可

2、選為1.2倍的臨界電感，可選擇為 4.5 10 4 H ;D. 根據(jù)紋波的要求和如下公式計算電容值C LTs2 = 4.17 10 4f8L U08 4.5 100.005 5 10000(2 )工作頻率為50kHz時，A. 主開關(guān)管可使用 MOSFET ,開關(guān)頻率為50kHz ;B. 輸入20V，輸出5V，可確定占空比 Dc=25% ;C. 根據(jù)如下公式選擇電感(1 Dc)RT2，s(1 0.25) 1012500000.75 10 4H這個值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，L>Lc則電感電流連續(xù)，實際電感值可選為1.2倍的臨界電感，可選擇為 0.9 10 4 H ;D. 根據(jù)紋波的要求和

3、如下公式計算電容值分析:Uo(1 De)8L UoTs25 (1 0.25)18 0.9 10 4 0.005 5 500002= 0.833 10 4 F在其他條件不變的情況下,若開關(guān)頻率提高n倍，則電感值減小為1/n ,電容值也減小 到1/n。從上面推導中也得出這個結(jié)論。2、Buck電路仿真：利用simpowersystems中的模塊建立所設計降壓變換器的仿真電路。輸入電壓為20V的直流電壓源，開關(guān)管選MOSFET模塊（參數(shù)默認），用Pulse Generator模塊產(chǎn)生脈沖驅(qū)動開關(guān)管。分別做兩種開關(guān)頻率下的仿真。（一）開關(guān)頻率為 10Hz時；（1）使用理論計算的占空比，記錄直流電壓波形，

4、計算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，計算穩(wěn)態(tài)直流 紋波電壓，并與理論公式比較，驗證設計指標。由第一步理論計算得占空比Dc=25% ；實驗仿真模型如下所示（穩(wěn)態(tài)直流電壓值為4.299V）:直流電壓整體波形如下所示:細微波形如下所示:Ufr R15I-一= UI EQ.D50 05 a?pmD£I9011計算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓：利用Matlab 菜單欄的"Desktop ”中選中"Worksapce ”,并將命名為buck的數(shù)據(jù)組打開，并在"Variable Editor-buck.signals(1,4).values下，觀察直流電壓瞬時值:通過這些數(shù)值可以看出，輸出的穩(wěn)態(tài)

5、直流電壓最大值為4.308628V，最小值為4.286866V，所以得到 Uo 0.021762/。UoUo0.00217620.0054.352仿真結(jié)果與理論值基本相同。(2) 畫出電感電流波形，計算電流波動值并與理論公式對比。電感電流波形如下所示:計算電流波動值：利用Matlab 菜單欄的"Desktop ”中選中"Worksapce ”,并將命名為buck的數(shù)據(jù)組打開，并在"Variable Editor - buck.signals(1,3).values”下，觀察電感電流瞬時值:通過這些數(shù)值可以看出，輸出的電感電流最大值為以得到 iL 0.8314A。0

6、.8390A，最小值為 0.0076A，所理論計算如下所示：iL土 (1 Dc)Ts54 (1 0.25)10.833AL4.5 10 410000仿真結(jié)果與理論值基本相同。(3) 修改占空比，觀察直流電壓值的變化。A占空比Dc=20%時，直流電壓的波形值如下所示，大小為 3.418V ;B.占空比Dc=50%時，直流電壓的波形值如下所示，大小為 9.589V ;C.占空比Dc=70%時，直流電壓的波形值如下所示，大小為 13.95V ;分析:豐 17如；19J78V ；常 19-9286/"隨著占空比的增加，由公式 Uo Us De ,可知輸出電壓值逐漸增加。（4）將電感改為臨界電

7、感值的一半，運行仿真模型（只仿真開關(guān)頻率10k時的情況，使用 理論計算的占空比）：記錄電感電流波形，觀察不連續(xù)電流的波形；記錄直流電壓波形，計 算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，與理論公式對比，并與同一占空比下電流連續(xù)時的直流電壓值進行比較;計算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓，并與理論公式比較（需根據(jù)電流波形計算D2的大小）。電感電流波形如下所示（電流出現(xiàn)斷續(xù)）554從上圖中可以讀到，Dd Ts 2.5 10 s，Dc2 Ts 4.5 10 s，T$ 10 s，得到 Dc10.25，Dc2 0.45 ；直流電壓波形如下所示（穩(wěn)態(tài)直流電壓值為6.462V）:從上圖中可以讀到，U。 0.065V ；在同一占空比下連續(xù)電流時，直

8、流電壓值為4.298V ;由連續(xù)電流和斷續(xù)電流下的電壓值相比較，可以看到連續(xù)電流下的直流電壓值較小，斷續(xù)時的直流電壓值較大。理論公式如下：L 1 875 10 4其中 Dd 0.25， 牛 豐,00.1875，RTS10 10Dc2Dci4o 1.875 10 8 10 100000.250.5 ;Dc1Dc1 Dc2Us0.250.25 0.5206.67V可見實驗測量值與理論計算值基本相近。理論計算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓:UoUo(1 Dc1)t28LC s5 (1 0.25)14428 1.875 104 4.17 10 4 1000020.06V可見與仿真中得到的 0.065V相近。(二)開

9、關(guān)頻率為 50Hz時；(1) 使用理論計算的占空比，記錄直流電壓波形，計算穩(wěn)態(tài)直流電壓值，計算穩(wěn)態(tài)直流 紋波電壓，并與理論公式比較，驗證設計指標。由第一步理論計算得占空比Dc=25% ；實驗記錄穩(wěn)態(tài)直流電壓值為4.396V ；直流電壓波形如下所示：Ub.ft1 1 ,4 C£4 ij ijliID0B14口8恃00316口童母g ®13Q.g計算穩(wěn)態(tài)直流紋波電壓:利用Matlab 菜單欄的"Desktop ”中選中"Worksapce ”，并將命名為buck的數(shù)據(jù)4.405408V，最小值為組打開，并在"Variable Editor - bu

10、ck.signals(1,4).values”下，觀察直流電壓瞬時值：通過這些數(shù)值可以看出，輸出的穩(wěn)態(tài)直流電壓最大值為4.383011V，所以得到 Uo 0.022397V。Uo 0.022397Uo 4.396仿真結(jié)果與理論值基本相同。0.00509(2) 畫出電感電流波形，計算電流波動值并與理論公式對比。電感電流波形如下所示：ILL計算電流波動值:利用Matlab 菜單欄的"Desktop ”中選中"Worksapce ”，并將命名為buck的數(shù)據(jù)組打開，并在"Variable Editor - buck.signals(1,3).values”下，觀察電感電

11、流瞬時值：通過這些數(shù)值可以看出，輸出的電感電流最大值為0.8723A，最小值為0.0100A，所以得到 iL 0.8623A。理論計算如下所示:iLULl(1Dc)Ts0.9 10 4(1 0.25)1500000.8333A仿真結(jié)果與理論值基本相同。(3) 修改占空比，觀察直流電壓值的變化。A.占空比Dc=20%時，直流電壓的波形值如下所示，大小為 3.456V ;B.占空比Dc=50%時，直流電壓的波形值如下所示，大小為 9.579V ;3.456V0.217.28V ；9.579V0.519.158V ； 13'68V19.543V .0.7隨著占空比的增加，由公式 Uo Us

12、De，可知輸出電壓值逐漸增加。2010.05.29附加電源網(wǎng)訊C.占空比Dc=70%時，直流電壓的波形值如下所示，大小為 13.68V ;A R113«PPIPI|I|/VWVWVWVVWWVVWVVWVVVWVVVWWWVVWWVWViiiiiii0 012O.D712仙07007=10 DPJ?01疔抽0 07391分析:變換器。圖中，Q為開關(guān)管，其驅(qū)動電壓一般為PWM（Pulse width modulation 脈寬調(diào)制）信號，信號周期為 Ts，則信號頻率為f=1/Ts，導通時間為Ton，關(guān)斷時間為Toff，則周期Ts=Ton+Toff ，占空比 Dy= Ton/Ts 。Bo

13、ost變換器：也稱升壓式變換器，是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管不隔離直 流變換器。開關(guān)管Q也為PWM控制方式，但最大占空比Dy必須限制，不允許在 Dy=1的狀態(tài)下工作。電感 Lf在輸入側(cè)，稱為升壓電感。Boost變換器也有CCM和DCM兩種工作方式Buck/Boost變換器：也稱升降壓式變換器，是一種輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，但其輸出電壓的極性與輸入電壓相反。Buck/Boost變換器可看做是Buck變換器和Boost變換器串聯(lián)而成，合并了開關(guān)管。VoBuck/Boost 變換器也有 CCM和DCM兩種工作方式，開關(guān)管Q也為PWM控制方式。LDO的特點： 非常低

14、的輸入輸出電壓差 非常小的內(nèi)部損耗 很小的溫度漂移 很高的輸出電壓穩(wěn)定度 很好的負載和線性調(diào)整率 很寬的工作溫度范圍 較寬的輸入電壓范圍 外圍電路非常簡單，使用起來極為方便DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton（通用），二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變Ts （易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類：（1）Buck電路一一降壓斬波器，其輸出平均電壓 U0小于輸入電壓Ui，極性相同。（2）Boost電路一一升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓 Ui，極性相同。(3) Buck Boost電路一一降壓或

15、升壓斬波器，其輸出平均電壓 U0大于或小于 輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。(4) Cuk電路一一降壓或升壓斬波器，其輸出平均電 壓U0大于或小于輸入電壓 Ui，極性相反，電容傳輸。DC-DC 分為 BUCK、BUOOST、BUCK-BOOST 三類 DC-DC。其中 BUCK 型 DC-DC 只能降壓，降壓公式：Vo=Vi*DBOOST型DC-DC只能升壓，升壓公式：Vo= Vi/(1-D)BUCK-BOOST 型 DC-DC，即可升壓也可降壓，公式：Vo=(-Vi)* D/ ( 1-D)D為充電占空比，既 MOSFET導通時間。0<D<1。開關(guān)性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波

16、電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能 也較差，特別是對模擬電路供電時，將產(chǎn)生較大的影響。因開關(guān)電源工作效率高，一般可達到80 %以上，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流，以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：ls=Klf式中：Is開關(guān)電源的額定輸出電流；If 用電設備的最大吸收電流；K 裕量系數(shù)，一般取 1.51.8 ;電容式開關(guān)電源它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負電壓。其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)(0.5,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調(diào)制過程可以保

17、證高達80 %的效率，而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關(guān)工作的，電荷泵結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的輸出紋波和EMI(電磁干擾)首先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。比枝兩柑LDO電強電感式DC DCHixkBn網(wǎng)Buck-BOOS!低中中刑蟲1 M厲劇1電械I1k丸低同A Ji'祝1申 DrafYuan.8腫id t/需哩糯備用件T雷塑需咚需出霜坐転聲M小小k低屮t's|Ml島-局限性碓H爪：4：能升平能降無Jk比絞內(nèi)容普蹙維性總壓LDO 電荷霍臨檢式DC-DC% BuckBoo 就Eiici-BOO!>t価中中豊甜Wig"iMrm3愉出電淀中h低

18、丈丈X低杠'aVfiR需h"p'斶熱冊替理簽ellDtaiiYuan.coffrM W舉好X ® tt!能-.11不X豐需eat薑窩鏗吟聲丸卄寸、犬大X覘書陸屮高離高局關(guān)竹干確玲斥T龍H無不旋斤rs&p無Ft壓附加2目前，電力電子整流裝置在生產(chǎn)生活中應用越來越廣，特別是計算機和家用電器中大量 使用開關(guān)電源使得電力網(wǎng)輸入側(cè)波型畸變，功率因數(shù)降低。因而使用帶功率因數(shù)校正的開關(guān)電源對于電網(wǎng)的諧波治理和提高供電質(zhì)量有很重要的意義。傳統(tǒng)的整流裝置使用電橋整流加大的電容濾波使得交流側(cè)輸入電流為一尖峰電流，這是使交流側(cè)輸入功率因數(shù)降低的主要原因(如圖1 )。因此改

19、變電路結(jié)構(gòu)以使輸入側(cè)電流跟隨輸入電壓就可以改善功率因數(shù)。現(xiàn)在雙級PFC (Power Factor Correction )的應用已經(jīng)很成熟，它采用 BOOST變換器作為前級PFC主電路，它的優(yōu)點在于可以做到功率因數(shù)近似為1，但它控制復雜，成本高，適合用于中等功率的電源。對于中小功率的PFC控制最簡、性能可靠、功率因數(shù)高成了設計者追求的目標。一般中小功率采用單級(Single Stage )PFC。近年來國內(nèi)外許多文章對 單級PFC做了大量研究，提出了很多實現(xiàn)方案。單級PFC可以采用BUCK-BOOST電路來實現(xiàn)，同時采用 反激變換器(flyback conventer )隔離。2 BUCK-

20、BOOST變換器實現(xiàn)APFC的原理BUCK-BOOST變換器是升降壓型電路，它使得輸入端電壓不必低于 Vc，同時易于實現(xiàn) 反激變換(flyback converter )。電路工作于DCM模式，這樣可以獲得高功率因數(shù)和 穩(wěn)定快速的調(diào)節(jié)輸出(文獻1已有論述)。電路圖如圖2所示，假設負載為一電阻 Rload， S為開關(guān)。BUCK-BOOST變換器有兩種工作狀態(tài)如圖 3(a)開關(guān)S導通，電源加到L上,負載由C供電L上電壓為Vg，L上的電流線性增加。(b)開關(guān)S斷開，電感上的能量向Rload釋放,電感電流減小到0。電感上的電壓為Vdc。設工頻交流電壓為 Vm(t)=Vpsi n(祖)(1)Ek = s

21、導通時有''-Ai ?DCM模式時 '其中Vp為交流電壓幅值、3為輸入工頻交流電壓的角頻率。當D1為開關(guān)導通比，Ts為開關(guān)周期，如圖4所示。當電路工作在F為電流峰值。于是有可以看出。因此電感上的電流跟隨輸入電壓，功率因數(shù)得到校正Lq ad.3單級變換器的分析傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正由兩級組成，前級實現(xiàn)APFC，后級為電壓變換器，如圖 5所示。PFC級工作于DCM模式，調(diào)節(jié)器可以工作于 DCM或CCM模式，文獻2已指出如果 PFC工作于DCM而調(diào)節(jié)器工作于 CCM模式，則可以獲得較低的傳導損耗，但de端電壓依賴于負載電流，這使得難以在不改變de端電壓的情況下控制輸出來滿足寬帶范

22、圍要求。當兩級都工作在 DCM模式下，兩級被de端穩(wěn)壓電容分開，因而可實現(xiàn)高功 率因數(shù)、寬負載和快速調(diào)節(jié)。適合應用于低功率電源。雙級反激式BUCK BOOST功率因數(shù)校正可以通過變換開關(guān)管的位置并改變電路結(jié)構(gòu) 來實現(xiàn)單級變換器。如圖6，可以把開關(guān)S1轉(zhuǎn)移到，開關(guān)S2控制使得穩(wěn)壓電容對變 壓器的一次側(cè)激磁和消磁讓能量傳遞到二次側(cè)。同樣可以改變電路結(jié)構(gòu)使激磁和消磁回路通過開關(guān)S,就可以只用一個開關(guān)管實現(xiàn) PFC和電壓變換調(diào)節(jié)。如圖7 , PFC級和DC/DC級共用一個開關(guān)，開關(guān) S開通時電感L激磁，同時穩(wěn)壓電容C放電，通過開關(guān)給變壓器一次側(cè)激磁； 開關(guān)S關(guān)斷時電感L通過穩(wěn)壓電容C續(xù)流，同時給電容C

23、充電。完成單激PFC變換。為了濾去高次譜波，在電源輸入側(cè)加入LC濾波 電路，使得輸入電流更接近于正弦。SB*曲DC/DC級如果開關(guān)頻率很高，輸入功率在半波周期內(nèi)可近似為:代入（2）式得:這里開關(guān)導通比為 D1，設二極管D3的的導通比為D2，貝V:'其中電容對變壓器充磁功率為:對于本電路來講為，所以由（3）（ 4）可得"I 力 ，Lp為變壓器一次側(cè)電感由此可見Vc獨立于輸出負載，調(diào)節(jié) D1就可調(diào)節(jié)輸出電壓 V0。4控制電路及小信號分析BUCK BOOST變換器的小信號分析模型如圖 8（a）所示，為了簡化分析假設電路工作在臨界模式，開關(guān)占空比為D，表示開關(guān)管的小信號控制特性，&#

24、39;表示電壓源的擾動，'表示輸出電壓的擾動。其閉環(huán)傳遞函數(shù)方框圖為圖8（b）。G（s）為主電路傳遞函數(shù)，H1 （s）為補償網(wǎng)絡傳遞函數(shù)，1/Vm為PWM傳遞函數(shù),E為開關(guān)占空比變化對輸入電壓的傳遞函數(shù)。5仿真分析結(jié)果5.1產(chǎn)生PWM 波的Matlab 仿真模型如圖9所示。仿真波形如圖10，ref為參考比較電壓，Signal-Generator為三角波發(fā)生器，Scope顯示了 PWM調(diào)制輸出。因而檢測輸出電壓就可改變開關(guān)管控制脈沖的占空比。5.2 BUCK-BOOST 閉環(huán)控制電路仿真。BUCK-BOOST閉環(huán)控制電路的 Matlab 模型如圖11所示。AV為交流輸入，電壓幅值為 380V ; Switch為理想開關(guān)，恒頻工作，頻率為 3kHz ;PWMGen為PWM發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的PWM脈沖；Gainl和積分器組成為比較積分環(huán)節(jié)。設輸出控制在 200V , inport2 顯示了輸入電流的波形。如圖 12。從圖12中我們可以看到輸入電流近似為一正弦波（單位為mA），輸出