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1、Saber仿真作业Buck变换器的设计与仿真目录1 Buck变换器技术-2 -1.1 Buck变换器基本工作原理-2 -1.2 Buck变换器工作模态分析-3 -1.3 Buck变化器外特性-4 -2 Buck变换器参数设计-6 -2.1 Buck变换器性能指标-6 -2.2 Buck变换器主电路设计-6 -2.2.1 占空比 D- 6 -2.2.2滤波电感Lf- 7 -2.2.3滤波电容Cf- 9 -2.2.4开关管Q的选取-10 -2.2.5续流二极管D的选取-10 -3 Buck变换器开环仿真-10 -3.1 Buck变换器仿真参数与指标-10 -3.2 Buck变换器开环仿真结果与分析
2、-10 -4 Buck变换器闭环控制的参数设计-12 -4.1闭环控制原理-12 -4.2 Buck变换器的闭环电路参数设计-13 -4.2.1 Gvd(s)的传递函数分析-13 -Buck变换器的设计与仿真4.2.2补偿环节Gc(s)的设计-15-4.2.3补偿环节参数设计-18-5 Buck变换器闭环仿真-23-5.1 Buck变换器闭环仿真参数与指标-23-5.2 Buck变换器闭环仿真电路原理图-24-5.3 Buck变换器的闭环仿真结果与分析-24 -6总结-27 -1 Buck变换器技术1.1 Buck变换器基本工作原理Buck电路是由一个功率晶体管开关Q与负载串联构成的，其电路如
3、图1.1。驱动 信号ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压 降，输出电压uo等于输入电压；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电 压为0。电路的主要工作波形如图1.2。+VinR Uo图1.1 Buck变换器电路L图1.2 Buck变换器的主要工作波形1.2 Buck变换器工作模态分析在分析Buck变换器之前，做出以下假设: 开关管。、二极管D均为理想器件; 电感、电容均为理想元件; 电感电流连续; 当电路进入稳态工作时，可以认为输出电压为常数。在一个开关周期中，变换器有2种开关模态，其等效电路如图1.3所示，各开关 模态的工作情况描述如下:（1）开关模态
4、0t0t1t0t1对应图1.3（ a）o在t0时刻，开关管Q恰好开通，二极管D截止。此时:（式 1-1）电感中的电流线性上升，式1-1可写成:（式 1-2）U - U = L_omn = L on1TonTon开关模态1t1t2t1t2对应图1.3 （ b）o在t1时刻，开关管Q恰好关断，二极管D导通。此时:（式 1-3）电感中的电流线性下降，式1-3可写成:U = L ominomaxoToffi iAi= L omaxomin = Leff-ToffToff（式 1-4）式中Toff为开关管Q的关断时间。在稳态时，Ai * 顼，联解式1-2与式off on1-4可得：U = DU（式 1-
5、5）输出电流平均值:（式 1-6）图 1.3（a） t0t1图1.3(a) t1t2 的主要工作波形图1.3(b) t1t2的主要工作波形1.3 Buck变化器外特性在恒定占空比下，变化器的输出电压与输出电流的关系Uo=f(io)称为变换器的外 特性。式1-5表示了电感电流连续时变换器的夕卜特性，输出电压与负载电流无关。当Buck变换器的设计与仿真负载电流减小时，可能出现电感电流断续现象。图1.4为电感电流断续时电流波形图。由式1-2与式1-4可知，当输入电压和输出电压一定时，&为常数。由式1-6可见，当负载电流减少到imin=0时，此时最小负载电流虹盘即为电感临界连 续电流:GI = I =
6、 1i =理（式 1-7）G omin 2 omax 2由式1-2与式1-5得Ai，带入式1-7得：（式 1-8）由上式可见，临界连续电流与占空度的关系为二次函数，当D=1/2时，临界连续电流达到最大值：（式 1-9）当电感电流断续时，即在Toff结束前续流二极管的电流已下降到0，此时输出的平均电流为：I = 1 X 1-（Ai T +Ai T）（式 1-10）o T 2 on on off off式中，七为开关管关断后电感电流持续的时间，并且：（式 1-11）稳态时，Ai =Aiff，由式1-11得：（式 1-12）将式1-11与式1-12带入式1-10得：1。/%疽 4D2Ui Uo（式
7、1-13）o即.Uo/Ui = 1 +1 /(4ID2)o Gmax(式 1-14 )图1.4电感电流断续时电流波形可见在电流断续区，输出电压与输入电压之比不仅与占空比有关，而且与负载电 流有关。2 Buck变换器参数设计2.1 Buck变换器性能指标输入电压：Vin = 3060VDC(额定输入电压为48V )；输出性能：Vout=24VDC;Vout(p-p)Lf(min)，取 Lf=360uH。(2 )滤波电感Lf设计 Lf的电流时单向流动的，流过绕组的电流具有较大的直流分量，并叠加一个 较小的交流分量，属于第三类工作状态。因此磁芯最大工作磁密可以选的很高，接近 于饱和磁密；XAi-1-
8、i 1=1 I l-i- M11 L 的电流最大值为 I = I+ - AI= 2A + -x (20% x 2A) = 2.2A ；fLfo max 2 max2 初选磁芯大小。初步选择TOKIN公司的FEER42磁芯，其有效导磁面积A = 182.5mm2 ； e初选一个气隙大小，以计算绕组匝数。取气隙8 = 1mm，由式子得:*:360H xlmmN = ： f = 日 A V 4兀 x 10一7 x 182.5mm2=3.962（式 2-3）取N=4匝;核算磁芯最高工作磁密Bm。由下式计算得:4兀 x 10-7 x 4 x 2.2A =0.011 T1mm（式 2-4）FEER42磁芯
9、的材质为2500B,其饱和磁密为B = 200mT，显然b vB，符合要求。计算绕组的线径。输出滤波电感电流有效值的最大值ILf = 2.2A，取电流密度 为J = 2.5A/mm2，用线径为d = 0.21mm的漆包线，则需要其根数为：2.2AN = J兀（d/2） 22.5A / mm 2 x 兀 x （0.21 mm / 2）2=25 .4 07（式 2-5）取N = 26根。核算窗口面积。当用26根由线径为0.21mm的漆包线来绕制时，其总的导电面积为：SLf = ：龙12 x 26 x 4 = 3.602 mm 2（式 2-6）取填充系数K = 0.5，则需要磁芯的窗口面积为： uA
10、 = SLf=3.602= 7.204mm2（式 2-7）CW / K. 0.5u手册表明，FEER42的窗口面积为A = 241.0mm2，远远超过所需窗口面积，因 CW此可以绕下。从前面的分析中可知，用FEER42磁芯来绕制输出滤波电感是合理的。综上，由于FEER42较常用，一般都选用该种磁芯；同时工作磁密远远小于饱和磁密，其铁损非常小。2.2.3滤波电容Cf(1) 滤波电容量Cf计算在开关变换器中，滤波电容通常是根据输出电压的纹波要求来选取。该Buck变 换器的输出电压纹波要求Vout(p-p)Cf(max)得，取 Cf=10uF。(2) 滤波电容的耐压值输出滤波电容的耐压值决定于输出电
11、压的最大值，一般比输出电压的最大值高一些，但不必高太多，以降低成本。由于最大输出电压为24V，则电容的耐压值为24V。(3) 滤波电容的选取由输出滤波电容的电容量Cf=4.7uF，耐压值为24V，留有一定的裕量，则选取 10UF/50V 电容。2.2.4开关管Q的选取该电路的输入电压是30V-60V，则开关管耐压值为60V，电流的最大值为I = I +Ai/2 = 2A + (2Ax20%)/2 = 2.2A，其开关频率为f = 200KHz， 因此选用的 MOSFET 管 MTD6N15T4G，其额定值为 150V/6A。2.2.5续流二极管D的选取续流二极管所承受的最大反向电压为Vin = 60V ；在I = 2A时二极管电流的有效 值为ID = I TTD = 2AxjTTU3 = 1.414A ；续流二极管的工作频率为f=200KHz。考虑 一定的裕量，选用肖特基二极管SR150-1，其电压和电流额定值为：120V/2A。3 Buck变换器开环仿真3.1 Buck变换器仿真参数与指标为了验证开环工作原理与正确性，采用SABER软件对电路做了仿
