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号学院专业电气工程及自动化班级指导教师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V in：30-60V(额定电压48V)低压侧直流母线输出电压V out：24V输出电压纹波V out（p-p）：25mV输出电流I out：2A开关频率f s：200kHz电感电流临界连续时I G：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V in 变化范围为30-60V ，低压侧输出电压V out 为24V ，则占空比：8.03024min max ===in out V V D 4.06024max min ===in out V V D5.04824===innom out nom V V D (2)由于输出电流I out 为2A ，故负载电阻：12outoutV R I ==Ω (3)根据电感电流临界连续时I G ：0.1A ，可由下式计算得滤波电感感值：H T I U L U T I LOFF o o CCM o μμ3605)4.01(2.0242max min )min(=⨯-⨯--==⇒=∆∆(4)根据输出电压纹波V out （p-p ）为25mV ，可由下式计算得滤波电容容值：uF f V I C I T C idt C V p p out ripple o p p out T 510200102582.082211133)(0)(2=⨯⨯⨯⨯==⇒==---⎰ 取F C f μ10=，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：Ω====∆⨯⨯=•∆=∆-m 125ESR ,600C ,u 520C 25,10652.0min max pp 6uF F mVV CESR I V 取而 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）二极管的选取二极管电压应力60V ，二极管电流有效值为：D 1 1.5out I I D A =-=。

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：48i d e a l m o ssd360u10u12v _p u l s e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_1tjmax 150 22.6k 18.9m 18100 XXXXXXXXXXirf460.irf460_1vgsmax 20 10 19m 50 -----d1n3880.d1n3880_1piv 100 47.4 18.1m 47.4 ----- irf460.irf460_1tjavg 150 77.8 --- 42.3 ---- irf460.irf460_1idmax 84 15 18.9m 17.8 -- d1n3880.d1n3880_1iavg 6 959m --- 16 -- irf460.irf460_1vdsmax 500 49 19m 9.81 - irf460.irf460_1vdgmax 500 49 19m 9.81 - d1n3880.d1n3880_1imax 150 12.9 18.9m 8.59 - d1n3880.d1n3880_1tjmax 150 34.3 19m 7.44 - d1n3880.d1n3880_1pdmax 41.7 2.21 19m 5.3 - irf460.irf460_1idavg 21 1.06 --- 5.05 - d1n3880.d1n3880_1tjavg 150 30.3 --- 4.24 . d1n3880.d1n3880_1pdavg 41.7 999m --- 2.39 .---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------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（V o ）的小信号传递函数为：200c Ivd )/s (Q /s 1CsR 1V )s (G ωω+++=其中：]C )R R (R /L [1Q ;LC1c L L 00++==ωω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=125m Ω，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。

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)1)((1)(2121221112C C C C sR C C sR C sR s G c ++++=1212C R f w z z ==π 212212C C R C C f w p p +==π2、确定补偿环节参数同上取参考电压为5V ，则245)(=s H 取V V M 5.2=，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：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。