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Buck变换器建模和仿真

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Buck变换器的建模与仿真

(一)Buck变换器的性能指标

带有反馈控制回路Buck变换器的电路图如图（1-1）所示，我们假定其工作在CCM方式。其基本电路参数为：

输入电压gV=2030V

输出电压V=12V

输出纹波125mV（1%）

电压跌落250mV（最大，2003outImAA）

开关频率sf=100kHz

最大输出电流4A

输入电流最大纹波0.4A(峰峰值)

图（1-1）带有反馈控制回路的直流斩波电路

（二）Buck变换器参数的选择

1. 滤波电感0L的选择

由diuLdt得

6.max0.max()(3012)410180H0.14inoutonoutVVTdtLudiI 这里我们取0L为180H

最大负载时的峰值电流为

.max.max40.0544.22peakoutoutIIIA

2. 滤波电容0C的选择

由duicdt得

其向量形式为

IjcU

IjcU

所以需要穿越频率的带宽为

2outcoutoutIfCV

如果假定穿越频率为10kHz

250892.8outcoutVmZmI

原则上为了留有设计裕量，电阻的阻抗按13计算阻抗选取

根据上面计算结果，我们可以在Rubycon公司的ZL系列，16V中选取以下规格：

C=330F

,760CrmsImA@105AC

,72ESRlowRm@20ATC

,220ESRlowRm@10ATC

电容ESR的阻抗应小于输出电容在穿越频率处的阻抗 114826.2810330coutmfCk

22221()7248862cesrcoutZRmfC

设计余量不足，我们重新选ZL系列中C=1000F，同样的过程，我们可以得出满足条件。

这里我们取0C为1000F

3. IGBT和Diode的选择

流过IGBT的最大半波平均电流为：4.1A

IGBT的通态平均电流为：34.1=12.3A

承受的峰值电压为：330=90V

Diode 承受的通态平均电流和峰值电压与IGBT相同

（三）补偿器的设计

对于DC/DC变换器系统，其回路增益函数()()GsHS为

()()()()()()cmvdGsHSGSGsGsHs0()()cGSGs

其中()cGS就是我们要设计的补偿网络

20121()()vdmRGsGsVRR=221211mRVLRRDVsSLCR

这里我们设计mV为2.5V，()Hs为0.5，并带入数据可得

06726721214.8()0.50.52.5160101.810160101.810Gsssss我们可以画出没加补偿网络的幅频图如下所示：

图（3-1）没加补偿网络的Bode图

我们可以得出其相角裕量为4，可见原始回路增益函数0()Gs频率特性的相位裕量太小。虽然系统是稳定的，但存在较大的输出超越量和较长的调节时间。通常选择相位裕量在45左右，增益裕量在10dB左右。因此需要加入补偿网络()cGs，提高相位裕量和增益裕量。

0()Gs的直流增益20lg4.813.6dB；幅频特性的转折频率1,2ppf12LC=375Hz。

设加入补偿网络()cGs后，回路函数0()()()()cGsHsGsGs的增益交越频率gf等于15的开关频率sf，于是增益交越频率

15gsff=11005kHz20kHz

如果加入补偿网络后回路增益函数以20/dBdec斜率处通过0dB线，则变换系统将有较好的相位裕量。为了得到20/dBdec的斜率，补偿网络()cGs在穿越频率点必须提供20/dBdec的斜率。

补偿网络()cGs两个零点频率设计为原始回路函数0()Gs两个相近的极点频率的1/2，即

121,21187.52ZZppfffHz

由于0()Gs没有零点，则可以将()cGs的两个极点设定为23ppsfff，以减少输出高频开关纹波。

原始回路函数0()Gs在gf的增益为

06724.8(2)1601021.810(2)gggGjfjfjf=0.0017

补偿网络()cGs在增益交越频率gf的增益为

(2)cgGjf01(2)gGjf=588

这样，补偿后回路函数0()()()()cGsHsGsGs在gf为0dB。

求在零点1Zf与2Zf之增益为

213187.5(2)5885.512010ZcggfAVGjff

极点2pf的增益为

322310010(2)58829402010pcggfAVGjff

最后可求出补偿网络的电阻值与电容值。首先，假设210Rk，可以求出其它元件的参数

232103.42940RRKAV

11210.0842ZCFfR 32310.4682pCFfR

23210.0012pCFfR

13211.82ZRKCf

44466(18.410)(18.4410)()1.5310(19.910)(11.59110)cssGssss

补偿网络的幅频特性和原始回路函数的幅频特性相加，得到补偿后回路函数幅频特性如图所示

图（3-2）加了补偿网络的Bode图

此时的相位裕量为39，基本达到要求

（四）用Matlab对电路进行仿真

用Matlab搭建的框图如下：

图（4-1）带反馈的Buck电路Matlab框图

在0.01s时，输入电压由20V增加为30V，我们得到的波形如下：

图（4-2）输出电压和电流的波形图（在

0.01s时，输入电压由20V跃变为30V）

我们可以看到稳态时，输出电流为4A，输出电压为12V，达到了设计的要求。

我们把稳态时的输出电流的波形进行放大，可以得到如下图：

图（4-3）稳态时输出电流波形（输入电压为30V）

我们可以得到输出电流的峰峰值为0.4A,与设计前的指标温和

我们把输出电流在输入电压突然由20V上升为30V时刻的波形进行放大，如图所示：

图（4-4）输入电压由20V变为30V时对输出电流的影响

我们可以看到电流跃变0.5A左右，符合设计要求

我们把输出电压的波形进行放大，如图所示：

图（4-5）输出电压的波形（输入电压为30V）

我们可以看出输出电压的脉动非常小，满足要求

我们把输出电压在输入电压突然由20V上升为30V时刻的波形进行放大，如图所示：

图（4-6）当输入电压由20V突变为30V时，输出电压的波形

我们可以看到输出电压由于受输入电压突变的影响，增大了0.07V左右，经过0.005s的调整时间重新变为12V，满足要求。

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Buck变换器双闭环控制仿真研究毕业论文

Buck变换器双闭环控制仿真研究毕业论文

 1 Buck变换器双闭环控制仿真研究

毕业论文 

目 录 

第一章第一章 绪论绪论 ................................... 1

1.1 课题研究背景课题研究背景课题研究背景 ................................. 1

1.2 课题发展现状课题发展现状课题发展现状 ................................. 1

1.3 本文研究内容及结构本文研究内容及结构本文研究内容及结构 ........................... ........................... 3

第二章第二章 Buck Buck变换器基本原理

 ...................... 4 

2.1 Buck变换器工作原理变换器工作原理 ........................... 4 

2.2 Buck变换器工作模态分析变换器工作模态分析 ....................... 4 

2.3 Buck变换器外特性变换器外特性 ............................. 7 

第三章第三章 Buck Buck变换器主电路设计变换器主电路设计 .................. 9 

3.1 占空比D ....................................... 9 

3.2 滤波电感Lf ................................... 9 

3.3 滤波电容Cf .................................. 11 

3.4 开关管Q...................................... 11 

3.5 续流二极管D ................................. 12 

第四章第四章 Buck Buck变换器双闭环控制变换器双闭环控制 ................. 13 ................. 13 

基于PSIM的Buck变换器设计与仿真

基于PSIM的Buck变换器设计与仿真

龙源期刊网

基于PSIM的Buck变换器设计与仿真

作者：宋沛 罗琼 黎芳 承江红

来源：《数字技术与应用》2018年第09期

摘要：在开关电源的设计过程中，DC-DC 变换器的建模和仿真是至关重要的一环。本文以基本的Buck变换器为研究对象，针对开环和电感电流连续模式下，根据输入输出和纹波要求，分析设计出合适的电感和电容，并在PSIM中进行了仿真，验证了理论分析的正确性，达到了设计要求。之后，本文对负载变化，使系统进入电感电流断续模式的临界值进行了计算，也进行了PSIM仿真验证。从所做工作，可以看出，PSIM仿真，简单易行，为进一步的闭环设计奠定基础。

关键词：Buck变换器；CCM；DCM；仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0134-03

近年来，随着计算机软硬件技术的飞速发展，计算机仿真技术在电力电子领域得到了广泛应用，改善了电力电子产品的性能，缩短了产品的设计周期。目前应用较多的电力电子线路仿真软件有Cadence/OrCAD/PSpice，PSIM，Saber等。Matlab也提供了电力系统模块库PowerSystem Blocksets。其中，PSIM以理想化的元件模型建模，同时提供了功率级电路和控制电路中的常用元件模型，采用较为简单的梯形法求解系统方程，仿真速度快并可在一定程度上兼顾线路与系统层面的仿真需求[1]。

在DC-DC变换器设计中，经常会用到电路仿真软件对设计电路进行仿真，指导电路参数设计，同时在电路调试过程中，利用仿真软件进一步对电路各参数验证优化。下面以Buck变换器的设计为例，使用PSIM仿真，验证设计理论和仿真的一致性。

1 Buck变换器的工作原理

Buck变换器的电路原理图如图1。该电路由直流电源Vin、可控开关管T、续流二极管D、滤波电感L、滤波电容C和负载电阻R组成。其中可控开关管可以是绝缘双极型晶体管IGBT，也可以是电力场效应晶体管Power MOSFET。

电压型非理想Buck变换器的DCM模式建模与仿真

电压型非理想Buck变换器的DCM模式建模与仿真

第３６卷第５期　２０１３年５月　合肥工业大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＦＥＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．５　Ｍａｖ　２０１３　

Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—５０６０．２０１３．０５．０１８　

电压型非理想Ｂｕｃｋ变换器的ＩＸ；Ｍ模式建模与仿真　

陈琳，　程心，　解光军　

（合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥２３０００９）　

摘要：文章对ＤＣＭ模式下的非理想Ｂｕｃｋ变换器进行全阶建模，提高了模型的精度，在此基础上，针对Ｂｕｃｋ　变换器开环系统动态响应慢、相位裕度差等缺点，设计相应的ＰＩＤ控制网络。通过比较补偿前、后控制一输出　传递函数的频域仿真，证明所设计的控制器能够改善Ｂｕｃｋ开环变换器的性能；通过在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中对电路模　型和实际电路的仿真比较，验证了文中建模方法的可行性，从而为ＤＣ－ＤＣ变换器及系统控制电路的设计提供　了理论依据。　关键词：降压（Ｂｕｃｋ）变换器；断续导电模式（ＤＣＭ）；电压型；ＰＩＤ控制器　中图分类号：ＴＮ４３２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００３—５０６０（２０１３）０５～０５９０—０５　

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　

ｎｏｎ－ｉｄｅａｌ　Ｂｕｃｋ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｎ　ＤＣＭ　

ＣＨＥＮ　Ｌｉｎ，　ＣＨＥＮＧ　Ｘｉｎ，ＸＩＥ　Ｇｕａｎｇ－ｊ　ｕｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｆｕｌｌ　ｏｒｄｅｒ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｎｏｎ－ｉｄｅａｌ　Ｂｕｃｋ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｉｎ　ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　

高频同步整流BUCK变换器的设计与仿真设计word版

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