BUCK电路设计和推挽电路设计.doc

高频电力电子大作业 设计一个40~60V DC输入，5V DC(20A)直流变换器 设计要求： 1 采用buck 和 push- pull各一方案，fs=100KHZ 2 选择主电路器件（半导体，磁性元件，保护电路） 3 比较计算俩种方案的损耗 4 用传递函数形式设计出控制环，选择平均电流控制，要有完整模型分析 以上设计要有计算，仿真等过程 本次作业在十八周周四前交,交打印稿。 第一部分BUCK电路设计 一 主电路如下图 １　　Mosfet的选择 功率管承受的最高电压=60+0.7=60.7 考虑安全裕量，选择 NTB52N10 ２　二极管的选择 考虑安全裕量，选择MBR30100，耐压100V ，通态电流30A。 ３电感的设计 （1）续流阶段，电感俩端电压U=5+0.6=5.6 根据额定电流及计算所得的电感值和《开关电源设计第三版》图7.26所示曲线图求磁心所需的ＡＰ值，可得AP值大约为0.68，故选择磁心型号E2627，，其AP值为0.7，最接近，此磁心各相关数据如下： 磁芯比例 31/9 cm 磁芯截面积 Ae =0.83 窗口面积 Awb =0.85 ＡＰ值= 0.7 均磁路长度MPL=6.2cm 每匝的平均长度ＭＬＴ＝4.6ｃｍ 磁芯体积　5.1 （2）计算最小匝数 （3）计算磁芯气隙 气隙长度（忽略边缘的影响） 其中 为总气隙长度，，为1（空气的相对磁导率），N为匝数，Ae为有效截面积，L为电感量。 （4）确定最佳线径 根据《开关电源设计》图7.28 ，由磁芯的面积乘积和匝数可知，线径在20AWG到22AWG之间 （5）计算最佳线径 其中 d为线的直径，Aw为总的绕线窗口面积，Ku为绕组填充系数 本题中，Ku=0.6（圆导线） （根据表7.9 选择22AWG） （6）计算绕组电阻 绕线的总长度 =MLTN=4.6*90=414cm 由《开关电源设计》表7.9可知，在20摄氏度到100摄氏度时22ＡＷＧ线的电导率分别是0.530.78，所以本题中总绕线电阻为219－322之间 （7）确定功率损耗 功率损耗Ｐ＝ 电流为２０Ａ，可知，功率损耗在５０．４——６７．６Ｗ之间。 ４　输出电容的设计 在很大范围内不同电压等级不同容值的常用电解电容，其值近似为常数，为５０－８０，设输出电压纹波峰峰值＝０．０５Ｖ， 则＝／＝０．０５／７．５＝０．００６７ ＝６０＊／０．００６７＝８．９ｕＦ 二 控制电路设计 电流环的设计 在整个环路设计中，电流环为内环，电压环为外环， 因为系统的开关频率为100KHZ，为了避免开关频率对控制环路的影响，穿越频率必须远远小于开关频率，在一般的开关电源中，都小于开关频率的1/10，此处设置为开关频率的1/10，即10KHZ，补偿网络传递函数 由系统框图可以得到系统的开环传递函数 式中，=5V，,L=6.5u，K1=1/100,,S=jw，带入上式，当fci=10KHZ时，，令补偿零点角频率在W1=1/R2C1在fci/2处，即w1=R2C1=5KHZ,经计算得R1C1=３．１４*，R2C1=2*，令R1=1K，R2=６３K,C1=1nf,将这些值代如开环传递函数， 根据乃奎斯特环路稳定性判据，系统是稳定的。 电压环的设计 在电压环设计中，电流环可视为控制对象的一个单元环节，因此先求取电流控制环的闭环传递函数，由式（5）得，其闭环传函为 可得整个系统回路的系统框图如下，式中Vref为给定电压（2.5V），K2为输出电压采样放大倍数，V0为输出电压，为输出阻抗，PI调节器采用与电流环结构一样的单极点——单零点补偿网络。 由于在fci以下，电流环增益为1，相位为0，在电压环的设计中，电流环为单位1，为了使整个系统得到较高的中频带宽，设电压环的穿越频率fcv=1KHZ,电压环ＰＩ补偿零点角频率ｗ２＝１／Ｒ４Ｃ２＝（１／２）ｆｃｖ，设计方法与电流环的设计一样： 在ｆ＜ｆｃv下，系统的传递函数为 其中Ｃ＝８．９ｕｆ，当ｆｃｖ＝１ＫＨ，，带入计算得Ｒ４Ｃ２＝１／５００，Ｒ３Ｃ２＝17.7*，取R4=1K，，R3=9K C2=0.1uf,将计算结果代入得： 乃奎斯特稳定性分析得系统稳定。 把整个电流环加入系统中，得整个环路的开环传递函数为 三 系统仿真 基于上述条件，用saber软件搭建电路得，如下图 仿真模型中，三角波的频率为100KHZ，幅值为5V，电压环给定为2.5V 输入电压为40V，负载为额定负载时，输出电压波形 2输入电压为60V，输出电压波形 第二部分推挽电路设计 主电路设计 1变压器设计 （1）先计算AP值 其中令， BS=0.4T，电流密度J=4A/mm2,开关频率fs=100KHZ, U取最大电压， 选择磁芯型号EC41，其