BUCK电路的Saber仿真

Instance irf460.irf460_1
SM Name
At
tjmax irf460.irf460_1 vgsmax d1n3880.d1n3880_1
150 20
22.6k 10
18.9m 19m
18100 50
XXXXXXXXXX -----
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piv irf460.irf460_1 tjavg irf460.irf460_1 idmax d1n3880.d1n3880_1 iavg irf460.irf460_1 vdsmax irf460.irf460_1 vdgmax d1n3880.d1n3880_1 imax d1n3880.d1n3880_1 tjmax d1n3880.d1n3880_1 pdmax irf460.irf460_1 idavg d1n3880.d1n3880_1 tjavg d1n3880.d1n3880_1 pdavg 84 6 500 500 150 150 41.7 21 150 41.7 15 959m 49 49 12.9 34.3 2.21 1.06 30.3 999m 18.9m --19m 19m 18.9m 19m 19m ------17.8 16 9.81 9.81 8.59 7.44 5.3 5.05 --150 77.8 --42.3 ---100 47.4 18.1m 47.4 -----
（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。
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南京航空航天大学 （3）电流临界连续情况：
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图 3.10 加入限幅二极管的电压输出波形 可以计算出此时的超调量为 21.5%，相比没加入二极管限幅有所减小。
四、总结
经过以上设计以及分析流程，可以大致设计出符合要求的电路参数，满足设计指标。
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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，设置管压降和稳态时相匹配，这里由于在稳态时比较器的负向端为 2.5V 左右，因 此设置管压降为 3.2V。输出波形如下图 3.10
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
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 学 学 专 班 号 院 业 级
电气工程及自动化
指导教师
2013 年 10 月 20 日
南京航空航天大学
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
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
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南京航空航天大学 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
2.2 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
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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 2.8
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 Value Actual Value Stress Bar-chart Ratio (%) 0% 100%
1 sR2 C1 sR C C sR1 (C1 C 2 )(1 2 1 2 ) C1 C 2 C1 C 2 R2 C1C 2
wz 2f z
1 R2 C1
w p 2f p
2、确定补偿环节参数
同上取参考电压为 5V，则 H ( s )
5 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：
(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：
Vout ( p p )
I ripple 1 T2 1 1T 0.2 idt Io C 5uF C 0 C22 8Vout ( p p ) f 8 25 10 3 200 10 3
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)：
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图 3.5(a)
校正后的幅频特性曲线
图 3.5(b) 加入矫正环节的电路图如下：
校正后的相频特性曲线
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图 3.6 矫正后的输出波形如下图 3.7：
加入矫正后的闭环电路图
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：
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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。
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南京航空航天大学 图 3.1(b) 相频特性曲线
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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 3.3 可以得到仿真的输出波形为图 3.4：
输入阶梯波的设置
Байду номын сангаас
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。
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南京航空航天大学 （3）增加矫正环节 1、选择如图 PI 补偿环节
Gc ( s )
4.24 . 2.39 .
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三、闭环参数计算及仿真
Dmin
Dnom
(2)由于输出电流 Iout 为 2A，故负载电阻： R
(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：
L
Uo I 24 U o Lmin(CCM ) TOFF max (1 0.4) 5 360 H T 2 I o min 0.2
取 C f 10 F ，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：
V I ESR 0.2 C min
65 10 6 , 而Vpp max 25mV C 520uF , 取C 600uF , ESR 125m