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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