基于Simulink的BUCK电路仿真设计与分析
基于Simulink的BUCK电路仿真设计与分析
BUCK电路是电力电子领域中常见的降压变换电路，广泛应用于各种电源系统中。本文将详细介绍如何使用Simulink工具对BUCK电路进行仿真设计，包括电路参数计算、模型搭建以及不同工作模式下的仿真分析。通过具体的仿真案例，帮助读者深入理解BUCK电路的工作原理和设计方法。
1. 设计要求
电源电压Vs=147～220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率20kHz；要求输出电压Vo=110V，纹波小于1%。要求最小负载时电感电流不断流。
2. 计算
计算输出滤波电感L和电容C，选取合适参数的开关管T和二极管D。
3. 通过MATLAB仿真验证计算结果
4. 通过更改参数使电路在最小负载时电感电流处于断续、临界、连续三种工作情况
5. 通过更改参数调节输出纹波电压大小
6. 通过更改占空比参数，观察电路输出参数的变化
图 1 电路原理图
7. 建立模型
本次实验主要用到的是Matlab的Simulink，电力电子器件基本上都位于Simscape库中。参照要求设计图进行模型搭建，选择IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为开关器件，因为它具有高输入阻抗，驱动功率要求低，驱动电路简单的优点，同时是电压控制型器件，易于驱动。搭建好的模型图如下所示
图 2 MATLAB仿真模型图
8. 参数计算
先计算电感电流连续模式的参数
8.1 周期和占空比
要求开关频率为20kHz，所以对周期有 输入电压在147-220V，这里取200V作为输入电压，因为所要求的输出电压为110V，根据公式 可得占空比为0.55。
8.2 电感L的取值
电感值一般通过电感电流纹波来确定，设计要求中没有指明电感电流纹波率，这里取纹波率为0.2（一般在0.2-0.4之间），根据计算公式 其中是Vin输入电压，Vout是输出电压，L是电感值，D是占空比,T是开关周期，可得电感值L为0.012375H
8.3 电容C的取值
电容的主要作用就是减小输出电压纹波，根据电压纹波计算公式
可得电容C的取值为0.000275F。
9. 仿真波形
将模型参数更改为上述计算值，即电路正常工作在电流连续模式，得到的仿真波形图如下所示
图 3 UT图像
图 4 UD图像
图 5 Uo图像
图 6 IT图像
图 7 ID图像
图 8 IL图像
10. 结果分析
10.1 三种工作模式下的电感电流、
控制电感电流是否连续的关键是电感L的取值。根据临界电感计算公式
可得临界电感为112.5uH
10.2 连续(电感L大于等于临界电感)
图 9 电感电流连续
10.3 临界(电感L等于临界电感)
图 10 电感电流临界连续
10.4 断续(电感L小于临界电感)
图 11 电感电流断续
11. 调节输出纹波电压大小
在 BUCK 电路中，输出电压纹波主要是由于电感和电容的滤波特性不完全理想导致的。当开关管导通和关断时，电感电流的变化会引起电容的充放电过程，从而产生电压波动。
11.1 电容的调节
电容是主要起平滑电压作用的元件。在电荷量变化相同的情况下，电容值越大，电压变化越小。
图 12 输出电压(C=100uF)
图 13 输出电压(C=200uF)
可以看出通过电容的增大，纹波由原本的230mV显著减小为了不到100mV。
11.2 电感的调节
电感在电路中的作用是阻止电流的突变。增大电感值可以使电感电流变化更平缓，从而减小电容的充放电电流，进而减小纹波。
图 14 输出电压(L=200uH)
图 15 输出电压(L=400uH)
可以看出电感放大一倍之后，电压纹波由250mV降低到了约130mV。
11.3 开关频率的调节
开关频率越高，一个开关周期内电感电流的变化量会分布在更短的时间内，电容有更多的机会进行充放电来平滑电压，从而减小纹波。
图 16 输出电压(f=20kHz)
图 17 输出电压(f=40kHz)
由图可知，经过对开关频率进行放大，纹波电压也由250mV下降到了80mV。
12. 占空比对电路输出参数的影响
12.1 输出电压
输出电压和输入电压以及占空比之间存在着简单的线性关系。这意味着通过调节占空比，可以方便地控制输出电压的大小。占空比越大，输出电压越高；占空比越小，输出电压越低。如下图所示
图 18 输出电压(D=50%)
图 19 输出电压(D=30% )
12.2 输出电流
占空比间接影响输出电流。当输出电压因占空比变化而改变时，如果负载电阻不变，根据欧姆定律，输出电流也会随之改变。
此外，占空比还会影响电感电流的峰值和谷值。在电感电流连续模式下，电感电流峰值
其中是电感电流的纹波电流，它的计算公式为
可以看出，占空比的变化会改变纹波电流，从而影响电感电流的峰值和谷值。
图 20 输出电流(D=50%)
图 21 输出电流(D=30%)