电力电子技术 Buck降压式变换器Simulink仿真

一、拓扑结构
二、工况分析
三、稳态工作特性（连续工作模式）
- 1.开关管T导通时
- 2.开关管T关断时
- 3.电感电流分析
- 4.电压增益计算
- 5.电感电流连续的临界条件
- 6. 纹波电压△Uo及电容计算
四、Simulink仿真分析
- 1.问题提出
- 2.分析问题
- 3.Simulink元件选取
- 4.电路连接图
- 5.实际效果图
五、仿真文件获取
- 1.积分获取
- 2.免费获取
六、其余电力电子电路仿真分析

一、拓扑结构

Buck变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器，电路完成把直流电压Us转换为较低的直流电压Uo的功能。拓扑结构如下：

二、工况分析

开关管T导通(a)和关断(b)的拓扑图如下：

下面是其电路连续工作模式(a)和断续工作模式(b)波形图。

三、稳态工作特性（连续工作模式）

1.开关管T导通时

二极管D反偏而截止。电容开始充电，直流电压源Us通过电感L向负载传递能量。此时电感电流iL线性增加，储存的磁场能量也逐渐增加。负载R流过电流Io,两端输出电压Uo上正下负。在一个开关管周期Ts内开关管导通的时间为Ton。

2.开关管T关断时

二极管正偏导通。由于电感电流iL不能突变，故iL通过二极管D续流，电感电流逐渐减小，电感上的能量逐步消耗在负载上，iL降低，L上储能减小。电感电流减小时，电感两端的电压UL改变极性，二极管D承受正向偏压而导通，构成续流通路，负载R端电压Uo仍然是上正下负。

3.电感电流分析

开关管通时，电感两端电压uL为：

由于储能电感的时间常数远远大于开关周期，因而在该电压作用下输出滤波电感中电流iL可近似认为是线性增长，电感电流线性上升的增量为：

开关管截止时，电感两端的电压极性为左负、右正，二极管续流导通，可认为电感中电流iL近似是线性下降，下降的量的绝对值为：

4.电压增益计算

当电路工作在稳态时，电感电流iL波形必然周期性重复，开关管T导通期间电感中的电流增加量等于其截止时电感电流的减少量，即：

将上述两个公式带入，可得：

可以观察到，改变输出电压的办法，既可以调整输入电压Us，也可以改变占空比。在输入电压一定的情况下，改变占空比则可控制输出平均电压。连续导电模式下Buck变换器的电压增益M为：

5.电感电流连续的临界条件

如果在Ts时刻电感电流iL刚好降到零，则称之为电感电流连续和断续的临界工作状态，如下图所示：

此时负载电流Io和iL的关系为：

其中：

带入已知量，可得：

式中：

6. 纹波电压△Uo及电容计算

流经电容的电流ic对电容充电产生的电压△Uo称为纹波电压，纹波电压△Uo与参数的关系表达式为：

则根据要求的纹波电压和其他参数可求得电路的电容为：

四、Simulink仿真分析

1.问题提出

设计一个降压变换器，输入电压为200V，输出电压为50V,纹波电压为输出电压的0.2%，负载电阻为20Ω，工作频率为20kHz。分别将工作频率改为50kHz，电感改为临界点感的一半进行对比分析。

2.分析问题

① 开关管选用MOSFET，开关频率为20kHz。
② 输入200V，输出50V，则选择占空比Dc=25%。
③ 根据临界电感的计算公式，可得：

这个值是电感电流连续与否的临界值，L>Lc则电感电流连续，实际电感值可选为1.2倍的临界电感，则最终选择的值为4.5*1e-4H。
④ 根据纹波电压要求和电容计算公式，可得：

⑤ 开关频率设置为50kHz时，L取1.81e-4H，C取1.041e-4F，其余设置不变。

3.Simulink元件选取

直接搜索名字获取即可。
①电源模块：powergui

②直流电源：DC Voltage

③MOSFET

④Pulse Generator

⑤Diode

⑥ Series RLC Branch

⑦测量及显示模块（搜索对应名字即可）

其中Multimeter设定如下

⑧一些必要的连接线

4.电路连接图

5.实际效果图

降压电路(占空比25%）到50V，开关频率20kHz。

降压电路(占空比25%）到50V，开关频率50kHz，L=1.8e-4H,C=1.04e-4F。

对比不同开关频率下的波形图，在其他条件不变的情况下，开关频率提高n倍(20kHz->50kHz)，则电感值减小为1/n倍(4.5->1.8),电容值也减小到1/n倍(2.6->1.04)。

五、仿真文件获取

1.积分获取

MATLAB2021版本Simulink：Buck降压电路
可以自己搭建，或者直接用这个做好的。调节不同的参数观察输出，和书上的理论图对应学习分析。

2.免费获取

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六、其余电力电子电路仿真分析

其余电力电子电路参考这里

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