BUCK电路的Saber仿真

1、功率变换器计算机仿真与设计题目buc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BUCKft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"：25mV输出电流世：2A开关频率fs：200kHz电感电流临界连续时Ig：0.1A12图1.1二、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,则占空比:DmaxU 空

2、=0.8Vinmin30Dmin一，.4Vinmax60Dnom工24 05Vinnom 48由于输出电流lout为2A,故负载电阻：R=V处=12cIoutIL = U o =，Lmin(CCM) lTU oTcffOFF max2I omin(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:24(1-0.4)5=360H-0.2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:11Tl -I o = C = "C 2 28V,I ripple0.2out(p4 f 8 25 10200 103=5uF取Cf=10忤，其中开关频率f为20

3、0KHz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:一-6510”工V=AIESR=0.2m，而AVppmax=25mVC>ppimaxCmin=520uF,取C=600uF,ESR=125mQ2.2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,则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,二极管电流有效值为：Id=I

4、outTTT=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d1n3880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:(1)电路图:12图2.1理想元器件开环主电路图(2)额定功率下仿真结果：图2.2输出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:图2.3输出电压纹波与电感电流纹波波形上图为负载240。时滤波电感电

5、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: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，如图2.5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，具体值见上图的测量。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

6、压电流应力波形，如图2.7twLk_Dpe：n_bap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<.DpanJk»p图2.8 二极管的电压电流应力波形 卜面是对这两个管子的应力分析结果：Stress TableDerated ActualInstance SM NameValue ValueStress Bar-chartAt Ratio (%) 0%100%irf460.irf460_1tjmaxirf460.irf460_115022.6k18.9m18100 XXXXXXXXXX201019m50 -vgsmaxd1n3880

7、.d1n3880_1piv10047.418.1m47.4-irf460.irf460_1tjavg15077.842.3irf460.irf460_1idmax841518.9m17.8-d1n3880.d1n3880_1iavg6959m16-irf460.irf460_1vdsmax5004919m9.81-irf460.irf460_1vdgmax5004919m9.81-d1n3880.d1n3880_1imax15012.918.9m8.59-d1n3880.d1n3880_1tjmax15034.319m7.44-d1n3880.d1n3880_1pdmax41.72.2119m

8、5.3-irf460.irf460_1idavg211.065.05-d1n3880.d1n3880_1tjavg15030.34.24.d1n3880.d1n3880_1pdavg41.7999m2.39.三、闭环参数计算及仿真3.1闭环参数计算:(1)确定开环传递函数在CCM情况下，占空比(d)到输出电压(Vo)的小信号传递函数为:Gvd(s) =V1sRcCc""21s/Q0(s/0)_1其中：LCoL/Rl (Rl Rc)C 该Buck变换器的输入电压为30V60V(额定输入为48V),输出电压为24V,输出电流为2A,Lf=360uH,Cf=600uF,取RL=0

9、Q,Rc=125mQ,用Mathcad画出Gvd(s)的幅频特性曲线及相频特性曲线，如图3.1(a)、图3.1(b)所示。5050i403020100-10昂-20强-就-40-50-6D-70-B0-90-100-100D.0I0,1110100IxID31x10'IxlO5lxIOE1 小£，1心频率改图3.1(a)幅频特性曲线图2 3(b)开环相频特性曲线1 io-£11/频率屈mn*从图3.1(a)可以测得，G的低频增益为33.625dB,谐振频率fr=250Hz,截止频率fc=2KHz,并且斜率约为-40dB/Dec。因此可以粗略断定系统的稳定性不是很好，

10、并且估计调节时间也很长。图3.1(b) 相频特性曲线从3.1(b)图中可求得，其相角裕度为 45.586度。可以看出，相角裕度符合要求，超调不 会太大。以下为Mathcad计算程序：l.Ged但)特性分析j > g % X 48 D > 0- 6L 360 IO-5RL 0AAAJ_aC A 600x 106 Rc 户 125 IO-3 *wR 12这是负载电阻q='i3wq- - + (R + %)-C峭q = 2. 152 x 10LR '1 _输入4W (颤定)输出25r负载12欧姆1 +2式 f-Ru-C%ii . 2?rfCf) -201oe(|Cvd(f

11、)|)fu = 2000WEJ + 180= 45-58S(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3.3Stimulus Profile60 050.0A30 0 A10 Qm20 0m40 0 m5。Oe30 Qm time(s)&Q.0m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

12、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)=1 sR2C1sR(GC2)(1sRzCG)C1 C2wz = 2：f zR2C1wp=2fp=j p pR2C1C22、确定补偿环节参数同上取参考电压为 5V,则5H=24取Vm=2.5V,截止频率取1/5fs,则fc=40kHz,选取详细过程见如下Mathcad程序:2 .补偿环节Gc(灯的设计w0=2,152x10加=40000|Gvd(fc)I-0,C66J9265w口H-丫皿x2.5皿7xw.:=10,2甯,£524mEgP口一 52.048x 10 -Gr5.|fr)=3.581x10-3-3.721

13、ixIO-4取R2为R2-10-IO31-7Cl-Cl=3.71BX10尺2明C1-11sxL0-Co-3,979Xw11-CjaRj"WpRi=产-Ri=55.063】C1-C21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):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：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: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: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