BUCK電路的Saber仿真解讀

1、功率變換器計(jì)算機(jī)仿真與設(shè)計(jì)題 目BUCK變換器電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名專 業(yè)電氣工程及自動化指導(dǎo)教師2013 年10月20日南京航空航天大學(xué)一、設(shè)計(jì)要求1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)BUCK直流變換器，主電路拓?fù)淙鐖D1.1 （參數(shù)需重新設(shè)置），使得其滿足以下 性能要求：高壓側(cè)蓄電池輸入電壓 Vin: 30-60V（額定電壓48V）低壓側(cè)直流母線輸出電壓Vout: 24V輸出電壓紋波 Vout（ p-p）: 25mV輸出電流I out: 2A開關(guān)頻率fs: 200kHz電感電流臨界連續(xù)時(shí)Ig 0.1A12-1 -南京航空航天大學(xué)二、開環(huán)參數(shù)計(jì)算及仿真2.1主電路參數(shù)計(jì)算:(1)高壓側(cè)輸入電壓Vn變化范圍為30

2、-60V,低壓側(cè)輸出電壓Vout為24V,則占空比:Vout24Vin min-30Vout24Vin max_ 60Vout24Vinnom_ 48= 0.8= 0.4= 0.5DminD maxDnom 由于輸出電流lout為2A,故負(fù)載電阻：R二血=12“ 丨out(3)根據(jù)電感電流臨界連續(xù)時(shí)Ig： 0.1A，可由下式計(jì)算得濾波電感感值:lLUo = Lmin(CCM)=lTUTOFF max2I omin一24云(一。4)代-2 -南京航空航天大學(xué)-# -南京航空航天大學(xué) 根據(jù)輸出電壓紋波Vout(p-p)為25mV可由下式計(jì)算得濾波電容容值:ut(p _p)丄1TC 2 2rippl

3、e8Vout( p -p)0.28 25 10 200 103=5uF-# -南京航空航天大學(xué)-# -南京航空航天大學(xué)取Cf -10lF，其中開關(guān)頻率f為200KHZ在實(shí)際器件中，電容存在寄生電阻，因此實(shí)際器件仿真時(shí)，電容的選取如下:6510° hV = l ESR 二 0.2,而 Vppmax 二 25mVCCmin =520uF,取 C =600uF,ESR = 125m' 12.2開關(guān)管及二極管應(yīng)力計(jì)算：(1) 開關(guān)管的選取功率管承受的最大電壓為60V,流過開關(guān)管電流最大值為2A,開關(guān)管電壓電流降額系數(shù) 均為0.5，貝U開關(guān)管電壓要大于或等于120V,電流最大值要大于4

4、A。粗略以最大占空比計(jì)算 電流的有效值為3.2A，則最大功率為384W取400W根據(jù)仿真,可選irf460作為開關(guān)管。(2) 二極管的選取二極管電壓應(yīng)力60V,二極管電流有效值為：Id =l°ut .1 D =1.5A。二極管耐壓降額系 數(shù)為0.6、電流降額系數(shù)為0.5，則二極管耐壓要大于或等于100V,電流有效值要大于或等 于3A。根據(jù)仿真，可選din3880作為二極管。2.3開環(huán)仿真結(jié)果：2.3.1理想元器件開環(huán)仿真結(jié)果:126.0母PICFK 0 0l4®FK2FK 11I I I I I I I II I I I I I I II I I I IQQ$(IOu BC

5、Qu 10m 1 2th 1 Am 151 BOffl £2m 2-im 26m 2&fl22m 3-im *$和4餉4 6m5OmA 1 IIPjfQu、TTJI1僅附0圖2.2輸出電壓波形上圖為輸入48VDC，額定功率下輸出電流、電壓波形。如圖可知，輸出電壓平均值為23.75V，紋波為11.11mV;輸出電流平均值為1.979A，紋波為0.167A。基本達(dá)到設(shè)計(jì)要 求。(3)電流臨界連續(xù)情況:O弟Fl圖2.3輸出電壓紋波與電感電流紋波波形上圖為負(fù)載240Q時(shí)濾波電感電流波形，可知電流變化為0.025A0.188A，電流基本臨界連續(xù), 符合設(shè)計(jì)要求。2.3.2實(shí)際元器件開環(huán)

6、仿真結(jié)果：(1)電路圖如下：600U125m12圖2.4開環(huán)仿真電路圖上圖中，輸入電壓用額定48VDC，其他器件用所設(shè)計(jì)的參數(shù)，其中占空比為0.5。1、CCM仿真波形：輸出電壓波形和輸出電感電流波形，如圖2.5(MJLkapankKip圖2.5輸出電壓波形和輸出電感電流波形從圖中可以看出，其輸出是穩(wěn)定的，但是開始時(shí)電壓和電流的沖擊很大，具體值見上圖的測如上圖，測量其輸出電壓的峰峰值為 20.66mV,小于25mV，滿足設(shè)計(jì)要求。其中輸出電壓 的紋波為三角形，估計(jì)是由于其寄生電阻造成的，使得其波形與電流波形的相位差很小。3、MOSFET電壓電流應(yīng)力波形，如圖 2.7-5 -南京航空航天大學(xué)buL

7、k_apenloap圖2.7 MOSFET電壓電流應(yīng)力波形4、二極管的電壓電流應(yīng)力波形，如圖2.8bucl<.DpanJk»p向：Mi)-6 -南京航空航天大學(xué)-# -南京航空航天大學(xué)圖2.8 二極管的電壓電流應(yīng)力波形 F面是對這兩個(gè)管子的應(yīng)力分析結(jié)果：Stress TableDeratedActualStressBar-ehartIn sta neeSM NameValueValueAtRatio (%)0% 100%irf460.irf460_1tjmax15022.6k18.9m18100 XXXXXXXXXXirf460.irf460_1vgsmax201019m50-

8、din388O.d1 n3880_1piv10047.418.1m47.4irf460.irf460_1tjavg15077.8-42.3-irf460.irf460_1idmax841518.9m17.8d1n3880.d1 n3880_1iavg6959m-16irf460.irf460_1vdsmax5004919m9.81irf460.irf460_1vdgmax5004919m9.81d1n3880.d1 n3880_1imax15012.918.9m8.59d1n3880.d1 n3880_1tjmax15034.319m7.44d1n3880.d1 n3880_1pdmax41.

9、72.2119m5.3irf460.irf460_1idavg211.06-5.05-d1n3880.d1 n3880_1tjavg15030.3-4.24 .d1n3880.d1 n3880_1pdavg41.7999m-2.39三、閉環(huán)參數(shù)計(jì)算及仿真3.1閉環(huán)參數(shù)計(jì)算:(1)確定開環(huán)傳遞函數(shù)在CCM情況下，占空比(d)到輸出電壓(Vo)的小信號傳遞函數(shù)為:G vd (s)二 V |1+sRcC21 s/Q 0 (s/ °)Q - oL/Rl1(Rl Rc)C 該Buck變換器的輸入電壓為30V60V (額定輸入為48V)，輸出電壓為24V，輸出電流 為 2A, Lf=360uH

10、, Cf=600uF,取 RL=0 Q , Rc=125mQ，用 Mathcad 畫出 Gvd(s)的幅頻特性 曲線及相頻特性曲線，如圖3.1 (a)、圖3.1 (b)所示。圖2.3(a)開環(huán)幅頻特性曲線頻率加圖3.1(a)幅頻特性曲線從圖3.1(a)可以測得，G(f)的低頻增益為33.625dB,諧振頻率fr=250Hz,截止頻率fc=2KHz , 并且斜率約為-40dB/Dec。因此可以粗略斷定系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是很好，并且估計(jì)調(diào)節(jié)時(shí)間也很 長。圖N 3(b)幵環(huán)相頻特性曲線頻率加圖3.1（b）相頻特性曲線從3.1（b）圖中可求得，其相角裕度為 45.586度?？梢钥闯觯嘟窃６确弦?，超調(diào)

11、不 會太大。以下為Mathcad計(jì)算程序:R 12這是奐載電阻l.Gwd 持性分析j >L = ?6D- 10-BC 50Dx 106Il A. flKl-=oRc ;= 125 IO-3-9 -南京航空航天大學(xué)-# -南京航空航天大學(xué)= 2. 152 x 103輸入48卩（額定）輸岀24卩負(fù)戟12歐姐I + j-27Tf-Rc-CG說(f) >Vi.2開£I + J"Q W阿-201oS(|Cvd(f)|)argfG油?。埃ㄐ螄?yán)學(xué)180-# -南京航空航天大學(xué)fc = 2000+ 180-46.583（2）不加矯正環(huán)節(jié)的閉環(huán)仿真：（注：以下仿真均為理想元器件

12、）電路圖如下：-10 -南京航空航天大學(xué)-# -南京航空航天大學(xué)圖3.2不加矯正環(huán)節(jié)的閉環(huán)仿真圖-# -南京航空航天大學(xué)這里反饋回路設(shè)置為Hs=5/24, PWM的Vm為2.5V,設(shè)置輸入為30-60V階躍變換的形式,如下圖3.350.0430 0 -I10 Qm20 0m40 0 mSD.Dm60.Om30 Qm time(s)>工glpAStimulus Profile-11 -南京航空航天大學(xué)-# -南京航空航天大學(xué)圖3.3 輸入階梯波的設(shè)置可以得到仿真的輸出波形為圖3.4：圖3.4不加矯正環(huán)節(jié)的閉環(huán)輸出從波形上可以看出，系統(tǒng)的超調(diào)不大，但是穩(wěn)態(tài)誤差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也比較長，因此需要

13、設(shè) 計(jì)控制器改善穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時(shí)間。-# -南京航空航天大學(xué)-12 -南京航空航天大學(xué)(3)增加矯正環(huán)節(jié)1、選擇如圖PI補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gc(s)=sR(GC2)(11 sRG sR2C1C2+ 2 )C1 C2WzR2C1Wp=2%C1 C2R2C1C26-# -南京航空航天大學(xué)- 40000|Gvd(fc)|-0. C66運(yùn)：=呂百工巳昌叫工扌盡 24"兀書取趙芮 r2 - 10- io3Cl A2、確定補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)5同上取參考電壓為 5V，則H(S)=丄24取Vm =2.5V，截止頻率取1/5fs,貝U fc=40kHz，選取詳細(xì)過程見如下Mathcad程序:比補(bǔ)償環(huán)節(jié)的i殳計(jì)w0 =

14、 2. 152 X 10Owl*= -r 926和p := 10-2tt f c3. 581 x 10-3 - 3* 721ix 10-5kp = 2«048x 10 -Cj = 3. 718 X IO-7C2 3* 979 x 10'Rj 55.063-# -南京航空航天大學(xué)-13 -南京航空航天大學(xué)校正后的幅頻特性及相頻特性曲線如下圖3.5(a)和 3.5(b):-# -南京航空航天大學(xué)-14 -南京航空航天大學(xué)gL«Li圖3.5(a)校正后的幅頻特性曲線圖3.5(b)校正后的相頻特性曲線加入矯正環(huán)節(jié)的電路圖如下：-# -南京航空航天大學(xué)-15 -南京航空航天大學(xué)ITa©-WXnBuck convert ervw-3-# -南京航空航天大學(xué)-# -南京航空航天大學(xué)圖3.6加入矯正后的閉環(huán)電路圖矯正后的輸出波形如下圖3.7:Bit-# -南京航空航天大學(xué)-# -南京航空航天大學(xué)圖3.7矯正后的輸出波形從上圖中可以看出，最大超調(diào)值為30.383V，超調(diào)量約為25%，效果理想；其調(diào)節(jié)時(shí)間 ts大約2.5ms,效果也很理想，額定輸入時(shí)輸出的穩(wěn)態(tài)紋波值為20.99mV，效果較好。打開后的波形如圖3.8:QiJClkJhSB-(V) tl'Bf從這個(gè)波形可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)對階躍擾動的抑制能力很強(qiáng)。(4