. 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学 号学 院专 业电气工程与自动化班 级指导教师 2013年 10月 20日- 18 - / 19一、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Iout：2A开关频率fs：200kHz电感电流临界连续时IG：0.1A图1.1二、开环参数计算与仿真2.1 主电路参数计算：(1)高压侧输入电压Vin变化围为30-60V，低压侧输出电压Vout为24V，则占空比：(2)由于输出电流Iout为2A，故负载电阻：(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：(4)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：取，其中开关频率为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：2.2 开关管与二极管应力计算：（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：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： 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240Ω时滤波电感电流波形，可知电流变化为0.025A~0.188A，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2、 输出电压和输出电流纹波波形，如图2.6图2.6 输出电压和输出电流纹波波形如上图，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2.7图2.7MOSFET电压电流应力波形4、二极管的电压电流应力波形，如图2.8图2.8 二极管的电压电流应力波形下面是对这两个管子的应力分析结果：-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Stress Table-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Derated Actual Stress Bar-chartInstance SM Name Value Value At Ratio (%) 0% 100%irf460.irf460_1 tjmax 150 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 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、闭环参数计算与仿真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：其中：该Buck变换器的输入电压为30V~60V（额定输入为48V），输出电压为24V，输出电流为2A，Lf=360uH，Cf=600uF，取RL=0Ω，Rc=125mΩ，用Mathcad画出Gvd(s)的幅频特性曲线与相频特性曲线，如图3.1（a）、图3.1（b）所示。
图3.1(a) 幅频特性曲线从图3.1(a)可以测得，G(f)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，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：（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3.3 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 2、确定补偿环节参数同上取参考电压为5V，则取，截止频率取1/5fs，则fc=40kHz，选取详细过程见如下Mathcad程序：校正后的幅频特性与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： 图3.8 矫正后的输出波形放大图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 图3.9 加入二极管限幅加入限幅二极管，设置管压降和稳态。