BUCK电路设计和推挽电路设计

高频电力电子大作业设计一个40~60VDC输入，5VDC(20A)直流变换器设计要求：1采用buck和push-pull各一方案，fs=100KHZ2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125.0606040min_max_max_min_inoninininuuduuu一主电路如下图１Mosfet的选择功率管承受的最高电压dinuuu=60+0.7=60.722iIiipp1.195.26.165%306.16125.0608.01002min_2iiiiAdupdIIpinoPP考虑安全裕量，选择NTB52N10VVdss100AId52maxpFCiss2250620ossCpFCrss135２二极管的选择60max_inuu1.19i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=5.6uHtitVloffl75.95*6.5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31/9cm磁芯截面积Ae=0.832cm窗口面积Awb=0.852cmＡＰ值=0.74cm均磁路长度MPL=6.2cm每匝的平均长度ＭＬＴ＝4.6ｃｍ磁芯体积5.13cm（2）计算最小匝数)(9010*83.0*10*25010*1.19*10*75.9102646max4maxmin匝eABLIN（3）计算磁芯气隙气隙长度gl（忽略边缘的影响）mmlANuulerg6.810*75.910*83*90*10*4106227220其中gl为总气隙长度，7010*4u，ru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mmNKAduw567.090)6.0*85()(2/12/1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lw=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0.53cmm/0.78cmm/，所以本题中总绕线电阻为219m－322m之间（7）确定功率损耗功率损耗Ｐ＝cRi2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ooCR值近似为常数，为５０－８０F，设输出电压纹波峰峰值rrV＝０．０５Ｖ，则oR＝rrV／I＝０．０５／７．５＝０．００６７Co＝６０＊610／０．００６７＝８．９ｕＦ二控制电路设计1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cif必须远远小于开关频率，在一般的开关电源中，cif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SCRSCRsG111211)(由系统框图可以得到系统的开环传递函数111)1()(21112KSLVSCRSCRsGS式中，Vs=5V，,L=6.5u，K1=1/100,,S=jw，带入上式，当fci=10KHZ时，1)(2sG，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*610，R2C1=2*410，令R1=1K，R2=６３K,C1=1nf,将这些值代如开环传递函数，5210*1.55000)(2SSsG根据乃奎斯特环路稳定性判据，系统是稳定的。2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500010*1.55000)(325SSSsG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，sc/1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21)1()(42324KSCSCRSCRsG其中.5.05/5.22KＣ＝８．９ｕｆ，当ｆｃｖ＝１ＫＨ，1)(4jwG，带入计算得Ｒ４Ｃ２＝１／５００，Ｒ３Ｃ２＝17.7*310，取R4=1K，，R3=9KC2=0.1uf,将计算结果代入得：2310*16.0500)(5SSsG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500010*1.5500010*16.0500)(62523SSSSSsG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2.5V1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一主电路设计1变压器设计（1）先计算AP值BJfsUIAP其中令TB15.0，BS=0.4T，电流密度J=4A/mm2,开关频率fs=100KHZ,U取最大电压，08.2100*4*15.0/oPBJfsUIAP选择磁芯型号EC41，其中磁芯截面积Ae=1.21cm2,窗口系数Awb=2.0AP=2.4,平均磁路长度=8.93cm,每匝的平均长度=6cm,磁芯体积V=10.8cm3（2）计算匝比spNNNNDUUino令D=0.8，则4.658.0*40min_oinUDUN，取N=7原边匝数3.1221.1*4.010*60*maxuBAeTVNsp，取原s边匝数为14匝由N=7可得Ns=2匝。（3）绕组的设计125.3/min_inoUPIp则绕线的截面积A=Ip/J=0.78mm2,（4）磁芯损耗：2mosfet的设计Umax_2inu=12022iIiippAiiiiAdupdIIpinoPP36.239.078.0%306.28.0608.01002min_2综上条件，选择FQP10N20VVdss200AId10maxRds=0.36欧pFCiss51095ossCpfpFCrss13可得开关管的通态损耗=2*0.26*2pI=0.26*2.08*2.08*2=2.24W3二极管的选择U5+Nuin/max_=60/7-5=3.6Vi20A综上条件，选择DSSK48-003B，肖特基二极管额定电压30V，额定电流50A5电感的设计（1）电感俩端电压V=5+Nuin/max_=5+60/7=13.6VuHuITvlosl8.52010*6.13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0.38，故选择磁心型号E2425，，其AP值为0.45，最接近，此磁心各相关数据如下：磁芯比例25/6cm磁芯截面积Ae=0.742cm窗口面积Awb=0.62cmＡＰ值=0.454cm均磁路长度MPL=7.3cm每匝的平均长度ＭＬＴ＝３．８ｃｍ磁芯体积３．０3cm（2）计算最小匝数)(6210*74.0*10*25010*20*10*8.5102646max4maxmin匝eABLIN（3）计算磁芯气隙气隙长度gl（忽略边缘的影响）mmlANuulerg61.010*8.510*74*62*10*4106227220其中gl为总气隙长度，7010*4u，ru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18AWG到20AWG之间（5）计算最佳线径mmNKAduw58.062)6.0*60()(2/12/1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18AWG）（6）计算绕组电阻绕线的总长度lw=MLTN=3.8*62=235cm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0.209cmm/0.280cmm/，所以本题中总绕线电阻为49m－65.8m之间（7）确定功率损耗功率损耗Ｐ＝cRi2电流为２０Ａ，可知，功率损耗在19——26Ｗ之间。8电容的设计与BUCK电路类似，取电容值为10uf二控制电路设计1电流环的设计与降压电路电流环设计类似补偿网络传递函数SCRSCRsG111211)(由系统框图可以得到系统的开环传递函数111)1()(21112KSLVSCRSCRsGS式中，Vs=5V，,L=5.8u，K1=1/100,,S=jw，带入上式，当fci=10KHZ时，1)(2sG，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=3.46*610，R2C1=2*410，令R1=1K，R2=58K,C1=3.45nf,将这些值代如开环传递函数，5210*55000)(2SSsG则闭环传递函数为500010*55000)(352sSSsG电压环设计与降压电路一样2310*16.0500)(5SSsG把整个电流环加入系统中，得整个环路的开环传递函数为500010*5500010*16.0500)(62523SSSSSsG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10V，电压环给定为2.5V，第二个开关管的三角波在第一个基础上做5us的延时。1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，负载为额定负载时，输出电压波形