BUCK電路的Saber仿真設(shè)計說明

1、 . 功率變換器計算機仿真與設(shè)計題 目BUCK變換器電路設(shè)計學(xué)生學(xué) 號學(xué) 院專 業(yè)電氣工程與自動化班 級指導(dǎo)教師 2013年 10月 20日- 16 - / 17一、設(shè)計要求1.1 設(shè)計指標：設(shè)計一個BUCK直流變換器，主電路拓撲如圖1.1（參數(shù)需重新設(shè)置），使得其滿足以下性能要求：高壓側(cè)蓄電池輸入電壓Vin：30-60V(額定電壓48V)低壓側(cè)直流母線輸出電壓Vout：24V輸出電壓紋波Vout（p-p）：25mV輸出電流Iout：2A開關(guān)頻率fs：200kHz電感電流臨界連續(xù)時IG：0.1A圖1.1二、開環(huán)參數(shù)計算與仿真2.1 主電路參數(shù)計算：(1)高壓側(cè)輸入電壓Vin變化圍為30-60V

2、，低壓側(cè)輸出電壓Vout為24V，則占空比：(2)由于輸出電流Iout為2A，故負載電阻：(3)根據(jù)電感電流臨界連續(xù)時IG：0.1A，可由下式計算得濾波電感感值：(4)根據(jù)輸出電壓紋波Vout（p-p）為25mV，可由下式計算得濾波電容容值：取，其中開關(guān)頻率為200KHZ。在實際器件中，電容存在寄生電阻，因此實際器件仿真時，電容的選取如下：2.2 開關(guān)管與二極管應(yīng)力計算：（1）開關(guān)管的選取功率管承受的最大電壓為60V，流過開關(guān)管電流最大值為2A，開關(guān)管電壓電流降額系數(shù)均為0.5，則開關(guān)管電壓要大于或等于120V，電流最大值要大于4A。粗略以最大占空比計算電流的有效值為3.2A，則最大功率為38

3、4W，取400W。根據(jù)仿真,可選irf460作為開關(guān)管。（2）二極管的選取二極管電壓應(yīng)力60V，二極管電流有效值為：。二極管耐壓降額系數(shù)為0.6、電流降額系數(shù)為0.5，則二極管耐壓要大于或等于100V，電流有效值要大于或等于3A。根據(jù)仿真，可選d1n3880作為二極管。2.3 開環(huán)仿真結(jié)果：2.3.1 理想元器件開環(huán)仿真結(jié)果：（1） 電路圖： 圖 2.1 理想元器件開環(huán)主電路圖（2）額定功率下仿真結(jié)果：圖2.2 輸出電壓波形上圖為輸入48VDC，額定功率下輸出電流、電壓波形。如圖可知，輸出電壓平均值為23.75V，紋波為11.11mV；輸出電流平均值為1.979A，紋波為0.167A?；具_到

4、設(shè)計要求。（3）電流臨界連續(xù)情況：圖2.3 輸出電壓紋波與電感電流紋波波形上圖為負載240時濾波電感電流波形，可知電流變化為0.025A0.188A，電流基本臨界連續(xù)，符合設(shè)計要求。2.3.2 實際元器件開環(huán)仿真結(jié)果：（1） 電路圖如下： 圖2.4 開環(huán)仿真電路圖上圖中，輸入電壓用額定48VDC，其他器件用所設(shè)計的參數(shù)，其中占空比為0.5。1、CCM仿真波形：輸出電壓波形和輸出電感電流波形，如圖2.5圖2.5 輸出電壓波形和輸出電感電流波形從圖中可以看出，其輸出是穩(wěn)定的，但是開始時電壓和電流的沖擊很大，具體值見上圖的測量。2、 輸出電壓和輸出電流紋波波形，如圖2.6圖2.6 輸出電壓和輸出電流

5、紋波波形如上圖，測量其輸出電壓的峰峰值為20.66mV，小于25mV，滿足設(shè)計要求。其中輸出電壓的紋波為三角形，估計是由于其寄生電阻造成的，使得其波形與電流波形的相位差很小。3、MOSFET電壓電流應(yīng)力波形，如圖2.7圖2.7MOSFET電壓電流應(yīng)力波形4、二極管的電壓電流應(yīng)力波形，如圖2.8圖2.8 二極管的電壓電流應(yīng)力波形下面是對這兩個管子的應(yīng)力分析結(jié)果：- Stress Table- Derated Actual Stress Bar-chartInstance SM Name Value Value At Ratio (%) 0% 100%irf460.irf460_1 tjmax 1

6、50 22.6k 18.9m 18100 XXXXXXXXXXirf460.irf460_1 vgsmax 20 10 19m 50 -d1n3880.d1n3880_1 piv 100 47.4 18.1m 47.4 -irf460.irf460_1 tjavg 150 77.8 - 42.3 -irf460.irf460_1 idmax 84 15 18.9m 17.8 -d1n3880.d1n3880_1 iavg 6 959m - 16 -irf460.irf460_1 vdsmax 500 49 19m 9.81 -irf460.irf460_1 vdgmax 500 49 19m

7、9.81 -d1n3880.d1n3880_1 imax 150 12.9 18.9m 8.59 -d1n3880.d1n3880_1 tjmax 150 34.3 19m 7.44 -d1n3880.d1n3880_1 pdmax 41.7 2.21 19m 5.3 -irf460.irf460_1 idavg 21 1.06 - 5.05 -d1n3880.d1n3880_1 tjavg 150 30.3 - 4.24 .d1n3880.d1n3880_1 pdavg 41.7 999m - 2.39 .-三、閉環(huán)參數(shù)計算與仿真3.1 閉環(huán)參數(shù)計算：(1) 確定開環(huán)傳遞函數(shù)在CCM情況下，

8、占空比（d）到輸出電壓（Vo）的小信號傳遞函數(shù)為：其中：該Buck變換器的輸入電壓為30V60V（額定輸入為48V），輸出電壓為24V，輸出電流為2A，Lf=360uH，Cf=600uF，取RL=0，Rc=125m，用Mathcad畫出Gvd(s)的幅頻特性曲線與相頻特性曲線，如圖3.1（a）、圖3.1（b）所示。 圖3.1(a) 幅頻特性曲線從圖3.1(a)可以測得，G(f)的低頻增益為33.625dB，諧振頻率fr=250Hz，截止頻率fc=2KHz，并且斜率約為-40dB/Dec。因此可以粗略斷定系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是很好，并且估計調(diào)節(jié)時間也很長。 圖3.1(b) 相頻特性曲線從3.1(b)圖

9、中可求得，其相角裕度為45.586度?？梢钥闯觯嘟窃６确弦?，超調(diào)不會太大。以下為Mathcad計算程序：（2） 不加矯正環(huán)節(jié)的閉環(huán)仿真：（注：以下仿真均為理想元器件）電路圖如下： 圖3.2 不加矯正環(huán)節(jié)的閉環(huán)仿真圖這里反饋回路設(shè)置為Hs=5/24，PWM的Vm為2.5V，設(shè)置輸入為30-60V階躍變換的形式，如下圖3.3 圖3.3 輸入階梯波的設(shè)置可以得到仿真的輸出波形為圖3.4： 圖3.4 不加矯正環(huán)節(jié)的閉環(huán)輸出從波形上可以看出，系統(tǒng)的超調(diào)不大，但是穩(wěn)態(tài)誤差很大，調(diào)節(jié)時間也比較長，因此需要設(shè)計控制器改善穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時間。（3）增加矯正環(huán)節(jié) 1、選擇如圖PI補償環(huán)節(jié) 2、確定補償環(huán)節(jié)參

10、數(shù)同上取參考電壓為5V，則取，截止頻率取1/5fs，則fc=40kHz，選取詳細過程見如下Mathcad程序：校正后的幅頻特性與相頻特性曲線如下圖3.5(a)和3.5(b)： 圖3.5(a) 校正后的幅頻特性曲線 圖3.5(b) 校正后的相頻特性曲線加入矯正環(huán)節(jié)的電路圖如下： 圖3.6 加入矯正后的閉環(huán)電路圖矯正后的輸出波形如下圖3.7： 圖3.7 矯正后的輸出波形從上圖中可以看出，最大超調(diào)值為30.383V，超調(diào)量約為25%，效果理想；其調(diào)節(jié)時間ts大約2.5ms，效果也很理想，額定輸入時輸出的穩(wěn)態(tài)紋波值為20.99mV，效果較好。打開后的波形如圖3.8： 圖3.8 矯正后的輸出波形放大圖從這個波形可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)對階躍擾動的抑制能力很強。（4）加入限幅二極管后經(jīng)過學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)一種可以進一步減小超調(diào)的方法，如下圖3.9 圖3.9 加入二極管限幅加