计算机仿真技术作业五 单端反激DC DC电路仿真设计.docx
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计算机仿真技术作业五单端反激DCDC电路仿真设计
单端反激DC/DC电路仿真
——计算机仿真技术作业五
姓名:
班级:
学号:
一、单端反激电路设计
【实验要求】
设计一个单端反激电路,输入直流电压28V,输出电压5V,输出额定功率30W。
电路开关频率50kHz,整流二极管通态压降0.8V,计算功率管的工作占空比,并选择开关管(选择MOSFET)及二极管。
1、DCM模式时器件的选择
(1)变压器变比及开关管控制信号占空比选择:
取Vs=56V,
(2)占空比选择
(3)原边电感大小的计算
(4)滤波电容大小的计算
2、CCM模式时器件的选择
(1)变压器变比及开关管控制信号占空比选择:
取Vs=56V,
(2)占空比选择
(3)原边电感大小的计算
最小负载电流0.1A,则最大电阻有10欧,原边电感量:
(4)滤波电容大小的计算
二、计算机仿真及分析
【实验要求】
Ⅰ满负载的仿真:
DC/DC变换器,R=0.83Ω,C=1320μF,仿真时间0.2s。
观察并记录MOSFET的工作波形(电压、电流波形),输出整流二极管的工作波形(电压、电流波形),输出电压波形。
Ⅱ小负载的仿真:
R=10Ω,C=1200μF,仿真时间0.5s。
选择合适占空比,使得输出电压为5V。
观察并记录MOSFET的工作波形(电压、电流波形),输出整流二极管的工作波形(电压、电流波形),输出电压波形。
利用simpowersystems建立的仿真模型如下:
图2
1、满负载的仿真:
根据理论算出来的占空比进行仿真,发现输出电压稳定时的有效值为4.92V。
为了更加精确,对占空比进行微调。
实际占空比为0.5363,此时的输出电压为5.001V。
(1)MOSFET的工作波形:
①电压波形:
图3
由上图可以看到,电路刚起动时MOSFET管两端的电压很大,最大可达到73.92V。
MOSFET的工作电压波形存在振荡过程,在t=0.035s时,电路才稳定下来。
对上图波形稳定部分进行局部放大,如下:
图4
由上图,可以看到,开关管在关断时所承受的反向电压大约为60V,在开通时有大约0.3V的正向导通压降,与普通二极管相比,这个电压是很小的(与肖特基二极管相当)。
②电流波形:
图5
由上图可以看到,电路刚起动时有很大的冲击电流,最大可达到8.402A,且存在振荡过程。
大概在t=0.035s时,电路才稳定下来。
对上图波形稳定部分进行局部放大,如下:
图6
由上图,可以清楚地看到电路的开关周期为0.0001s,开关管的正常工作电流为2.5~3.2A。
(2)输出整流二极管的工作波形:
①电压波形:
图7
由上图可以看到,电路刚起动时二极管两端的电压很大,最大可达到12.54V。
二极管的工作电压波形存在振荡过程,在t=0.035s时,电路才稳定下来。
对上图波形稳定部分进行局部放大,如下:
图8
由上图,可以看到,在开关管关断期间,二极管导通,其正向压降大约为0.7V;在MOSFET开通期间,二极管反向截止,其承受的反向压降为-10V。
②电流波形:
图9
由上图可以看到,电路刚起动时流过二极管的电流很大,最大可达到47.01A。
电流波形存在振荡过程,大概在t=0.035s时,才稳定下来。
对上图波形稳定部分进行局部放大,如下:
图10
由上图可知,开关管的正常工作电流为14~18A。
(3)输出电压波形:
图11
由上图可以看到,电路刚起动时输出电压存在振荡过程,峰值为7.626V,在t=0.035s时,输出电压才稳定在5V。
对上图波形稳定部分进行局部放大,如下:
图12
由上图可知,输出电压的波动范围为:
4.96~5.04V,纹波电压百分数为
。
2、小负载的仿真:
根据理论算出来的占空比0.5327进行仿真,发现输出电压稳定时的有效值为6.883V。
这显然不满足要求。
改变占空比,经多次尝试,发现当占空比为0.3935,输出电压有效值为5V。
(1)MOSFET的工作波形:
①电压波形:
图13
此图虽然比较模糊,但至少可以给予我们这样一个信息:
电路起动时,MOSFET两端电压没有出现瞬间冲击。
对上图波形稳定部分进行局部放大,如下:
图14
由上图可知,开关管在关断时所承受的反向电压大约为60V、28V,在开通时有大约0.05V的正向导通压降,比满载时小了很多。
为什么在MOSFET关断时,其反压有突变呢?
观察图14、16、18、20,我们可以发现激磁电流断续了(或者,变压器磁动势不连续)。
当流经二极管的电流提前下降到0时,变压器被短路,但由于MOSFET还未导通,MOSFET直接承受电源28V的反压。
同理,此时的二极管承受电容5V的反压。
②电流波形:
图15
由上图可以看到,电路起动时流经MOSFET的电流较大,最大为4A,只有满载(8.4A)时的一半。
对上图波形稳定部分进行局部放大,如下:
图16
由上图可知,在正常的工作状态下,流经MOSFET的电流为0~0.5333A。
(2)输出整流二极管的工作波形:
①电压波形:
图17
由上图可以看到,起动时二极管两端电压没有瞬间冲击,也没有振荡过程。
对上图波形稳定部分进行局部放大,如下:
图18
由上图,可以看到,。
②电流波形:
图19
由上图可以看到,起动时,流经二极管的电流存在较大冲击,最大电流为22A,但没有振荡过程。
对上图波形稳定部分进行局部放大,如下:
图20
由上图可知,开关管的正常工作电流为0~2.936A。
(3)输出电压波形:
图21
由上图可以看到,输出电压没有超调。
对上图波形稳定部分进行局部放大,如下:
图22
由上图可知,输出电压的波动范围为:
4.996V~5.003V。
纹波电压百分数为
。
这比满载时小了很多。
三、选择器件的应力
【实验要求】
通过仿真分析,选择合适的功率管和整流二极管(耐压,耐流)。
通过上面的仿真分析,我们可以看到,满载对于功率管和整流二极管的应力提出了更高的要求。
所以,倘若不加入任何抑制起动冲击的电路结构,我们可以基于满载仿真分析得到选择功率管、整流二极管的耐压与耐流。
满载仿真分析表明:
MOS管所承受的最大反压为60V,流经的最大电流为8.4A。
二极管所承受的最大电压为12.54V,流经的最大电流为47.01A。
故而,所选择的MOS管参数为80V/10A,二极管参数为20V/60A。
【参考文献】
[1]NedMohan,ToreM.Vndeland,WilliamP.Robbbins.PowerElectronic:
Converters,Applications,AndDesign[M].北京:
高等教育出版社,2004.
[2]马莉.MATLAB语言实用教程[M].北京:
清华大学出版社,2010.
[3]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M].北京:
机械工业出版社,2013.
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