Buck电路的仿真

一降压变换器，输入电压为1800V，输出电压540V，电感值1mH、电容值2mF，负载电阻

，开关频率为600Hz。

（1）计算开关器件的占空比：

D=Vo/VD=540÷1800×100%＝30%。 （2）对电路进行仿真，记录波形。

电容电压波形

电感电流波形

将理论计算值与测量结果做对比： 理论值 测量值 稳态输出电压VO （V） 540 534.2 稳态电流平均值IL （A） 385.71 385 纹波电压△u （V） 65.625 68 纹波电流△I （A） 630 646 启动电压超调量δ （%） — 51.76 启动电流瞬时峰值Ipeak （A） — 1204.8

由上表可看出，仿真结果与理论计算值相比输出的稳态电压Vo和输出电流平均值IL小于理论值，纹波电压与理论值一致，纹波电流略大于理论值，其主要原因在计算理论值是没有考虑开关器件IGBT的导通压降。

（3）将电感值修改为0.5mH，再次仿真。

电容电压波形

电感电流波形

显然，IL波形下沿被削平，Buck变换器已经进入不连续导通模式，此时：

稳态输出电流IL为483.14A； 稳态输出电压VO为665V 纹波电压△u为143.6V 启动电压超调量δ为40.8% 启动电流瞬时值Ipeak为1727.3A

与（2）中结果相比可见，在同一占空比下，由于电感减小的不连续导通模式的输出电压、电流平均值均升高，电压纹波变大，启动电压超调变小，启动电流瞬时值变大。 （4）电感值保持0.5mH，开关频率提高为1.2kHz。

电容电压波形

电感电流波形

将理论计算值与仿真结果对比： 理论值 测量值 稳态输出电压VO （V） 540 536.7 稳态电流平均值IL （A） 385.71 385 纹波电压△u （V） 32.81 33 纹波电流△I （A） 630 638 启动电压超调量δ （%） — 60.8 启动电流瞬时峰值Ipeak （A） — 1443.8 Buck转换器工作在连续导通模式下，显然仿真值更接近于理论计算值，但是电压超调明显增大。

（5）以（2）中的仿真为基础，试改善电路的启动性能。

启动阶段，输出电容相当于短路，故有很大的浪涌电流灌入，这使得输出电压产生较大的过冲，浪涌电流也可能会损坏开关管和其它器件。

改善的方法有2种：方法①是改变电感值，电容值以及开关频率：

改善后电压波形

电感L增大 → 电压超调量δ增加，电压纹波△u减小，达到稳态所需要的时间t增加；

电感C增大 → 电压超调量δ增加，电压纹波△u减小，达到稳态所需要的时间t增加；

频率fs增加 → 电压超调量δ减小，电压纹波△u减小，达到稳态所需要的时间t增加；

当频率增大到一定阶段后，对这三者基本不会再有影响。

方法②是加电压PI闭环调节，使Buck电路实现软启动，相比之下这种方法更好。（但是我

不会做，不知道怎么实现）

。 最终采用第一种方法，经过调试，最终取电感L为55 uH，电感C为80 mF，结合IGBT的实际应用情况，频率取为20 kHz，此时电压超调量δ为0，电压纹波△u为1.6V（约为

0.3 %），达到稳态所需要的时间t约为1.9×10∧

﹣3s，可见，启动性能快速且没有超调，算比较良好的启动性能。

附：

1. 本次仿真中开关管选择IGBT模块，算法采用ode45，仿真时间均为0.03秒。

2. 计算理论值中用到的公式： （1）电感电流平均值 𝐼𝐿=𝑉

𝑂𝑉𝐷 （2）纹波电流 △i=

(1−𝐷)𝑉𝑜

𝐿𝑓𝑠

（3）纹波电压 △u=

(1−𝐷)𝑉𝑜8𝐿𝐶𝑓𝑠2

3. 计算测量值中用到的公式： （1）电感电流平均值𝐼𝐿=(𝐼𝑚𝑎𝑥−𝐼𝑚𝑖𝑛)

2

（2）输出电压平均值𝑉𝑜=

(𝑉𝑚𝑎𝑥−𝑉𝑚𝑖𝑛)

2

（3）纹波电流△i=𝐼𝑚𝑎𝑥−𝐼𝑚𝑖𝑛 （4）纹波电压△u=𝑉𝑚𝑎𝑥−𝑉𝑚𝑖𝑛 （5）启动电压超调量 δ=

(𝑉𝑝𝑒𝑎𝑘−𝑉𝑜)

𝑉𝑜

×100%