金融证券网站模板,学会网站建设,服务器租用多少钱,dede网站转移Buck变换电路 Buck变换电路是最基本的DC/DC拓扑电路#xff0c;属于非隔离型直流变换器#xff0c;其输出电压小于输入电压。Buck变换电路具有效率高、输出稳定、控制简单和成本低的优点#xff0c;广泛应用于稳压电源、光伏发电、LED驱动和能量回收系统。
电路原理 Buck变…Buck变换电路 Buck变换电路是最基本的DC/DC拓扑电路属于非隔离型直流变换器其输出电压小于输入电压。Buck变换电路具有效率高、输出稳定、控制简单和成本低的优点广泛应用于稳压电源、光伏发电、LED驱动和能量回收系统。
电路原理 Buck变换电路的电路原理如图1-2所示主电路由串联开关管S、二极管D、电感L和电容C组成。开关管S可以采用GTR、Mosfet或IGBT。当开关管S导通时二极管D截止输入电源通过电感L向负载供电电感L将电能转换为磁能储存当开关管S关断时二极管D导通电感L将磁能转换为电能释放向负载供电。 Buck变换电路的输入电流是脉动的会引起对输入电源的电磁干扰在实际应用中通常要增加输入滤波网络。
图1-2Buck降压变换电路原理图
Buck变换电路的电源是电压源性质负载是电流源性质稳态电压增益为 MU_o/U_i D 其中D是占空比表示开关S的导通时间t_on占整个开关周期T_S的比例取值范围为0~1。因此Buck变换电路的输出电压U_o始终小于输入电压U_i。 保持开关频率f_S不变调节占空比D改变开关管S的导通时间t_on就可以控制输出电压U_o。这种控制方式称为脉冲宽度调制Pulse Width ModulationPWM。 根据电感电流是否连续Buck变换电路有三种工作模式连续模式CCM、断续模式DCM和临界模式BCM。连续模式是指在整个开关周期内电感电流i_L0断续模式是指开关周期内有一段时间i_L0。临界模式是二者的边界只在开关开通的瞬时i_L0。 电流连续模式的条件为 I_o((1-D_c ) T_S)/2L U_o 其中U_o是输出电压I_o是输出电流L是电感值T_S是开关周期下标c表示临界值。 因此Buck变换电路当负载电流较大时工作在电流连续模式而当负载电流小于临界值时就进入断续模式电压增益也就不再保持线性关系。
设计计算 设计要求输入电压U_i300V输出电压U_o60V输出电流I_o5A纹波系数r_V1%。 设计为连续导通模式工作。选择MOS管作为开关器件开关频率f_S10kHz。 1计算占空比 D_cU_o/U_i 60/3000.2 2计算负载电阻 R_LU_o/I_o 60/2512 (Ω) 2计算电感临界值 L_c((1-D_c ) R_L)/(2f_S )((1-0.2)12)/(210^4 )4.810^(-4) (H) 将实际电感值取为临界值的1.3倍即L6.2410^(-4) (H)。 4根据电压纹波的要求计算输出电容值 C_o((1-D) T_S^2)/(8L (∆U_o)⁄U_o )((1-0.2)*(1/10^4 )2)/(8*6.24*10(-4)0.01)1.610^(-4) (F)
对Buck变换电路的设计计算可以编写如下的Matlab程序实现。
% Design and Calculation of Buck Converter
Ui 300; Uo 60; Io 5; ripV 0.01; % ripple coefficient of voltage fs 10e3;
Ts 1/fs Dc Uo/Ui RL Uo/Io Lc RL/2*(1-Dc)Ts; % 临界值 L 1.3Lc % 实际值 Cf (1-Dc)* Ts^2/(8LfripV)
仿真模型 使用Matlab/Simulink建立Buck变换电路的开环仿真模型。 1新建模型打开Matlab软件在Simulink模型编辑界面中新建“空白模型”。 2添加模块打开库浏览器从Simulink、Simscape\Electrical\Specialized Power Systems等标准库中依次选取DC Voltage Source、Mosfet、Diode、Series RLC Branch、Pulse Generator、powerGUI、Scope等模块。 按照设计计算结果设置模块参数。例如将Pulse Generator的脉冲宽度周期百分比设为20对应于占空比为0.2。 在Matlab不同版本中标准库的路径可能有改变。用户也可以直接在模型编辑界面中双击鼠标左键调出“搜索模块”弹窗输入模块名称直接选择和添加模块。 3搭建模型按照图1-2所示的电路原理图连接各模块搭建Buck变换电路的仿真模型。 4信号监测使用信号标记模块goto、信号分解模块Demux、总线选择模块Bus Select提取和选择需要观测的信号作为示波器的输入信号。 5接口设置从Simscape\Electrical\Specialized Power Systems库中选取并添加电力系统的图形化用户接口powerGUI模块以实现电路图形和状态空间方程的转换。 在powerGUI模块设置中将求解器Solver的仿真类型设为连续型Continuous使用来自Simulink的可变步长求解器。 6模型设置选择“模型配置参数”在求解器中选择仿真算法ode23tb(stiff/TR-BDF2)仿真时间为0.02s。 按照以上步骤建立Buck变换电路的开环仿真模型Buck01.slx如图1-3所示。 图1-3Buck变换电路的开环仿真模型
仿真结果 运行Buck变换电路的仿真模型Buck01.slx在示波器模块可以观察所监测信号的仿真波形如图1-4所示。 子图1的上图比较输出电压的设计参考值和测量值下图是输出电流波形。稳态输出电压约为59.0V低于设计值60V约1.7%这是由于半导体器件的压降损耗。启动过程输出电压的超调量很大说明开环控制扰动抑制能力较差。子图2依次显示了Mosfet门极触发脉冲U_g、电感电流I_L、Mosfet电流I_mos和二极管电流I_D的波形曲线。电感电流连续表明处于电流连续模式与理论分析结果一致。
图1-4Buck变换电路的开环仿真结果
闭环控制 开环控制要求输入电压、负载恒定且无外界干扰才能达到稳定状态。但在实际应用中输入电压和负载通常在一定范围内变化开环系统受到扰动后就会偏离稳态工作点。为了稳定、精准地将输出电压控制到给定值需要设计恰当的反馈控制器进行闭环控制。本例中以输出电压作为被控变量进行反馈控制使用比例积分控制器PI controller。 建立Buck变换电路的闭环仿真模型Buck03CL.slx如图1-5所示。本例中使用阶跃信号模块Step产生阶跃变化的输出电压给定值。
图1-5Buck变换电路的闭环仿真模型
Buck变换电路的闭环仿真结果如图1-6所示。子图1的上图比较输出电压的设计参考值和测量值下图是输出电流波形子图2是主要电压电流的波形。设定值V_set阶跃变化时测量值V_o也随之改变并收敛到设定值超调量很小降低了对器件的冲击。输出电压的稳态值为59.6V误差仅为0.7%优于开环控制结果。
图1-6Buck变换电路的闭环仿真结果
