BUCK电路的Saber仿真解读

1、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专 业电气工程及自动化指导教师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I out: 2A开关频率fs: 200kHz电感电流临界连续时Ig 0.1A12二、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Vn变化范围为30-60V,低压侧输出电压Vout为24V

2、,则占空比:Vout24Vin min-30Vout24Vin max_ 60Vout24Vinnom_ 48= 0.8= 0.4= 0.5DminD maxDnom 由于输出电流lout为2A,故负载电阻：R二血=12“ 丨out(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:lLUo = Lmin(CCM)=lTUTOFF max2I omin一24云(一。4)代 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:ut(p _p)丄1TC 2 2ripple8Vout( p -p)0.28 25 10 200 103=5uF取Cf -10lF

3、，其中开关频率f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:6510 hV = l ESR 二 0.2,而 Vppmax 二 25mVCCmin =520uF,取 C =600uF,ESR = 125m 12.2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，贝U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

4、,二极管电流有效值为：Id =lut .1 D =1.5A。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din3880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:126.0母PICFK 0 0l4FK2FK 11I I I I I I I II I I I I I I II I I I IQQ$(IOu BCQu 10m 1 2th 1 Am 151 BOffl 2m 2-im 26m 2&fl22m 3-im *$和4饷4 6m5OmA 1 IIPjfQu、TTJI1僅附0图2.2输出

5、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:O弟Fl图2.3输出电压纹波与电感电流纹波波形上图为负载240Q时滤波电感电流波形，可知电流变化为0.025A0.188A，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：600U125m12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

6、图2.5(MJLkapankKip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 2.7buLk_apenloap图2.7 MOSFET电压电流应力波形4、二极管的电压电流应力波形，如图2.8bucl= 2. 152 x 103输入48卩（额定）输岀24卩负戟12欧姐I + j-27Tf-Rc-CG说(f) Vi.2开

7、I + JQ W阿-201oS(|Cvd(f)|)argfG油住）“（形严学180fc = 2000+ 180-46.583（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3.350.0430 0 -I10 Qm20 0m40 0 mSD.Dm60.Om30 Qm time(s)工glpAStimulus Profile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

8、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Gc(s)=sR(GC2)(11 sRG sR2C1C2+ 2 )C1 C2WzR2C1Wp=2%C1 C2R2C1C26- 40000|Gvd(fc)|-0. C66运：=吕百工巳昌叫工扌尽 24兀書取赵芮 r2 - 10- io3Cl AJ_9%2、确定补偿环节参数5同上取参考电压为 5V，则H(S)=丄24取Vm =2.5V，截止频率取1/5fs,贝U fc=40kHz，选取详细过程见如下Mathcad程序:比补偿环节的i殳计w0 = 2. 152 X 10Ow

9、l*= -r 926和p := 10-2tt f c3. 581 x 10-3 - 3* 721ix 10-5kp = 2048x 10 -Cj = 3. 718 X IO-7C2 3* 979 x 10Rj 55.063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):gLLi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：ITa-WXnBuck convert ervw-3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:Bit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:QiJClkJhSB-(V) tlBf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*1fAA/Vduck convener图3.9加入二极管限幅加入限幅二极管，设置