计算机仿真 Buck电路的设计与仿真结题报告 实验四

BeijingJiaotongUniversity
Buck电路的设计与仿真
结题报告
姓名：TYP
班级：电气0906
学号：09291183
指导老师：牛利勇
完成日期：2012.5.12
一、Buck 电路设计
1、实验内容
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、实验步骤
（1）工作频率为10kHz 时，
①主开关管可使用MOSFET ，开关频率为10kHz ； ②输入20V ，输出5V ，可确定占空比D c =25%； ③根据如下公式选择电感
H T R D L s c c 41075.310000
1
210)25.01(2)1(-⨯=⨯⨯-=-=
这个值是电感电流连续与否的临界值，L>c L 则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H 4105.4-⨯；
④根据纹波的要求和如下公式计算电容值
=∆-=
20
08)1(s c T U L D U C 2
4100001
5005.0105.48)25.01(5⨯⨯⨯⨯⨯-⨯-=F 41017.4-⨯ （2）工作频率为50kHz 时，
①主开关管可使用MOSFET ，开关频率为50kHz ； ②输入20V ，输出5V ，可确定占空比D c =25%；
③根据如下公式选择电感
H T R D L s c c 41075.050000
1
210)25.01(2)1(-⨯=⨯⨯-=-=
这个值是电感电流连续与否的临界值，L>L c 则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，可选择为H 4109.0-⨯；
④根据纹波的要求和如下公式计算电容值
=∆-=
20
08)1(s c T U L D U C 2
4500001
5005.0109.08)25.01(5⨯⨯⨯⨯⨯-⨯-=F 410833.0-⨯
3、实验结果分析：
在其他条件不变的情况下，若开关频率提高n 倍，则电感值减小为1/n ，电容值也减小到1/n 。

从上面推导中也得出这个结论。

二、Buck 电路仿真（10kHz ）
1、实验内容
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Pulse Generator 模块产生脉冲驱动开关管。

分别做两种开关频率下的仿真。

2、实验步骤
（1）使用理论计算的占空比，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。

主电路由20V直流电源，开关管，稳流电感，滤波电容，负载电阻和反向续流二极管组成，其中开关管由一个占空比为25%，周期为0.0001s的脉冲信号控制，电感、电容和电阻的大小按照第一部分计算结果来设置。

同时将电感的电流、电压和电阻的电压设为measurements的量，通过Multimeter模块输出到示波器上，以便观察波形。

在输出电压的信号上并联一个测平均值的模块，仿真时间设为0.1s。

具体连接图和元件设置如下图所示（稳态直流电压值为4.399V）：
直流电压整体波形如下所示：
计算稳态直流纹波电压：
利用Matlab 菜单栏的“Desktop ”中选中“Workspace ”，并将命名为buck 的数据组打开，观察直流电压瞬时值。

通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为4.4080V ，最小值为4.3887V ，所以得到0.0193Uo V ∆≈。

0.0193
0.00444.3887Uo Uo ∆=≈，仿真结果与理论值基本相同。

（2）画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。

电感电流波形如下所示：
计算电流波动值：
利用Matlab 菜单栏的“Desktop ”中选中“Workspace ”，并将命名为buck 的数据组打开，观察电感电流瞬时值。

通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8730A ，最小值为0.0075A ，所以得到0.8315L i A ∆≈。

理论计算如下所示：
A T D L U i S C L 833.0100001
)25.01(105.45)1(4
0=⨯-⨯=-=
∆-，仿真结果与理论值基本相同。

(3)修改占空比，观察直流电压值的变化。

①占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为3.509V ；
②占空比Dc=40%时，直流电压的波形值如下所示，大小为
7.503V；
③占空比Dc=60%时，直流电压的波形值如下所示，大小为11.62V ；
3.50917.5450.2V V =；7.50318.75750.4V V =；11.6219.36670.6
V
V =. 随着占空比的增加，由公式C S O D U U ⨯=，可知输出电压值逐渐增加。

（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，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，与理论公式对比，并与同一占空比下电流连续时的直流电压值进行比较；计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较（需根据电流波形计算D2的大小）。

电感电流波形如下所示（电流出现断续）：
从上图中可以读到，51 2.510c s D T s -⨯=⨯，52 4.510c s D T s -⨯=⨯，
s T S 410-= ，得到10.25c D =，20.45c D =；
直流电压波形如下所示（稳态直流电压值为6.437V ）：
从上图中可以读到，纹波电压最大值为 6.4664V ，最小值为6.4053V 。

则0.0611o U V ∆=；
在同一占空比下连续电流时，直流电压值为4.399V ；由连续电流和断续电流下的电压值相比较，可以看到连续电流下的直流电压值较小，断续时的直流电压值较大。

理论公式如下：
其中10.25c D =，1875.010*******.14
4
=⨯⨯==--S RT L τ，
20.5c D =
==； 1120.2520 6.670.250.5
c o s c c D U U V D D =
=⨯=++
可见实验测量值6.437V 与理论计算值基本相近。

理论计算稳态直流纹波电压：
21442
(1)5(10.25)1
0.0688 1.87510 4.171010000
o c o s U D U T V LC ---⨯-∆=
=⨯=⨯⨯⨯⨯
可见与仿真中得到的0.0611V相近。

三、Buck电路仿真（50kHz）
1、实验内容
（1）使用理论计算的占空比，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。

2、实验步骤
主电路没有变化，只是将脉冲周期改为0.00002s。

具体实验波形如下图所示（稳态直流电压值为4.397V）：
计算稳态直流纹波电压：
利用Matlab 菜单栏的“Desktop ”中选中“Worksapce ”，并将命名为buck 的数据组打开，观察直流电压瞬时值。

通过这些数值可以看出，输出的稳态直流电压最大值为4.4058V ，最小值为4.3852V ，所以得到0.0206Uo V ∆≈。

0.022397
0.00474.3852
Uo Uo ∆==，仿真结果与理论值基本相同。

（1）画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比。

电感电流波形如下所示：
①计算电流波动值：
利用Matlab 菜单栏的“Desktop ”中选中“Worksapce ”，并将命名为buck 的数据组打开，观察电感电流瞬时值。

通过这些数值可以看出，输出的电感电流最大值为0.8728A ，最小值为0.0100A ，所以得到0.8628L i A ∆≈。

②理论计算如下所示：
A T D L U i S C L 8333.0500001)25.01(109.05)1(4
0=⨯-⨯=-=
∆-，仿真结果与理论值基本相同。

(3)修改占空比，观察直流电压值的变化。

①占空比Dc=20%时，直流电压的波形值如下所示，大小为3.509V ；
②占空比Dc=40%时，直流电压的波形值如下所示，大小为7.507V ；
③占空比Dc=60%时，直流电压的波形值如下所示，大小为11.63V ；
3.50917.5450.2V V =；7.50718.76750.4V V =；11.6319.38330.6
V
V =. 随着占空比的增加，由公式C S O D U U ⨯=，可知输出电压值逐渐增
加。

四、实验心得
这是计算机仿真的第四次实验了，由于自己有事就没有去参加上机课。

但是当天晚上回来就开始做了，也确实遇到了一些问题，不过通过与同学的讨论都一一解决了，比如说Multimeter中的变量如何选择，二极管和MOS开关管通过的电流如何导到示波器上显示。

这次实验也让我对磁性元件和电容的大小选择更加熟悉了。

电力电子老师说现在国内在这一方面比较欠缺，磁性元件的选取主要靠试，就是试出来的，哪个值出的波形好就用哪个，所以我们更要对这种基础的计算方法了如指掌。

总之，这次实验让我学到了很多东西。