Buck电路设计与仿真姓名：朱龙胜班级：电气1102 学号： 11291065 日期： 2014年5月10日指导老师：郭希铮北京交通大学计算机仿真技术作业四题目：Buck 电路的设计与仿真 1、Buck 电路设计：设计一降压变换器，输入电压为20V ，输出电压5V ，要求纹波电压为输出电压的0.5％，负载电阻10欧姆，求工作频率分别为10kHz 和50kHz 时所需的电感、电容。

比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。

2、Buck 电路理论计算: 由以下公式计算:20.252.0.5A (1)3.5%8()4.2odoo o s o s d o LB OB V D V V I RV T D V LCDT V V I I L====∆-==-==1.占空比: 负载电流: 纹波电压: 电流连续条件：得到下列计算结果3、Buck 电路仿真:利用simpowersystems 中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。

输入电压为20V 的直流电压源，开关管选MOSFET 模块(参数默认)，用Pulse Generator 模块产生脉冲驱动开关管。

分别做两种开关频率下的仿真。

(1)使用理论计算的占空比(D=0.25)，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理论公式比较，验证设计指标。

4、仿真过程::A ．建立模型:建立仿真模型如下如所示:B. 记录数据:仿真算法选择ode23tb,最大步长为0.1s ，占空比D=0.25进行仿真，记录数据如下表所C ．仿真过程:当f s =10KHz,L=0.375mH C=500μF, 占空比D=0.25,电流连续的临界状态时，记录稳态直流电压值V o =4.736V ，稳态直流电压理论值5V计算稳态直流纹波电压的理论值2(1D)0.025V 8s o o T V V CL-∆==,通过图中得到直流纹波电压为0.0267V当fs=10KHz,L=0.375mH, C=500μF,占空比D=0.25,电流连续的临界状态时, 由(1)o SL V D T I L-∆=，得电感电流波动理论值是1A ，由图像得到电感电流波动值是1A ，与理论计算相符合Time/sP u l s e /VSwitch (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)Time/sI L /VInductor Current(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)0.04360.04380.0440.04420.04440.04460.04480.0450.04520.0454Time/sU o /VUo (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)Figure-1 fs=10KHz,L=0.375mH, C=500μF,占空比D=0.25,电流连续的临界状态取1.2倍临界电感值时，输出电压稳态值是 4.399V ，理论值是5V ，纹波电压理论值0.025V记录波形测得纹波电压为0.0275V 电感电流波动理论值为0.833A ，由图像得到电感电流波动值是0.875ATime/sP u l s e /VPulse (fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)Time/sI L /AInductor Current(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)0.1970.19750.1980.19850.1990.19950.20.20050.2010.2015Time/sU o /VUo (fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)f s 流电压值V o =4.745V ，理论值是5V ，稳态直流纹波电压理论值0.025V,由输出电压波形得到实际值为0.0197V电感电流波动理论值为1A ，测量值为1.014ATime/sP u l s e /VPulse (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)Time/sI L /AInductor Current(fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)66.026.04 6.066.086.1x 10-3Time/sU o /VUo (fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)Figure-3 f s =50KHz,L=0.075mH, C=100μF, 占空比D=0.25,电流连续的临界状态取 1.2倍临界电感时，输出电压平均值为 4.396V ，理论值是5V ，纹波电压理论值为0.025V ，实际为0.0224V电感电流波动理论值为0.833A ，实际值为0.875ATime/sP u l s e /VPulse (fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)Time/sI L /AIductor Current(fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)4.524.54 4.564.58 4.6 4.62 4.64x 10-3Time/sU o /VUo (fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)Figure-4 取1.2倍电感时(2)画出电感电流波形，计算电流波动值并与理论公式对比记录数据如下表Time/sP u l s e /VSwitch (fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)0.10870.10880.10890.1090.10910.10920.10930.10940.1095Time/sI L /VInductor Current(fs=10KHz,L=0.375mH,C=500uF)Figure-5 fs=10KHz,L=0.375mH, C=500μF,占空比D=0.25,电流连续的临界状态Buck 电路设计与MATLAB 仿真0.0250.02550.026-1-0.500.5Time/sP u l sTime/sI L /AInductor Current(fs=10KHz,L=0.45mH,C=417uF)Figure-6 fs=10KHz,L=0.45mH, C=417μF,占空比D=0.250.02480.02490.025-1-0.500.511.52Time/sP u l s e /VTime/sI L /A Inductor Current(fs=50KHz,L=0.075mH,C=100uF)Figure-7 f s =50KHz,L=0.075mH, C=100μF, 占空比D=0.25,电流连续的临界状态 0.02480.02490.025-1-0.5Time/sP u l s e /VTime/sI L /AIductor Current(fs=50KHz,L=0.09mH,C=83.3uF)Figure-8 f s =50KHz,L=0.09mH, C=83.3μF, 占空比D=0.25DV o /VVo-D(Vd=20V)Figure-9 输出电压与占空比关系曲线(4)将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型(只仿真开关频率10k 时的情况，使用理论计算的占空比)：记录电感电流波形，电感电流波动值为1.8A 观察不连续电流的波形；记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，与理论公式6.67V 对比，，实际值6.435V 并与同一占空比下电流连续时的直流电压值4.736V 进行比较；计算稳态直流纹波电压，由图中得到纹波电压为0.0510V 并与理论公式比较（需根据电流波形计算D2的大小）。

理论值计算：1875.0101010875.144=⨯⨯==S RT L τ 5.0281212=-+=C C CD D D τ则 ： V U D D D U S C C C 67.6205.025.025.01210=⨯+=+=2,max 22,max=0.00003 s 1.8A,0.645A 1()4LB o o o d LB I I V DI V D I ∆===+，[()][()()(())]2()0.0373Vs d o o s d o o o o d o s d o o o o d o o DT V V LI DT V V V LI V V V DT V V LI V LCV V V V ----+---∆=-∆=实际仿真值：6.435V V可见理论公式算出来的值比实际仿真出来的值要大一些，是由于反并联二极管作用导致。

但是，在同一占空比情况下，电流不连续情况下比连续情况的输出电压大， 比较稳态直流纹波电压：由图像得到输出电压的纹波为0.0510V在同一占空比的情况下，电流不连续情况下的纹波电压比连续情况明显增大。

Time/sP u l s e /VPulse (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)Time/sI L /AIductor Current (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)Time/sU o /VUo (fs=10KHz,L=0.1875mH,C=500uF,D=0.25)Figure-10 fs=10KHz,L=0.1875mH, C=500μF,占空比D=0.254、实验总结::通过本次的实验，使我在原有的基础上对MATLAB 有了更深一步的了解，不仅熟练了操作，而且也学会用仿真方法发现问题，并解决问题。

本次实验与电力电子学知识紧密结合，通过实际的仿真现象，使我更加熟知了课本中的原理概念，更加形象的理解了Buck 变换器的工作原理。