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织梦 5.7网站地图,网站推广神器,企业网站规划方案,wordpress touchy基于MATLAB的Buck-Boost升压-降压式变换器系统设计 本设计包括设计报告#xff0c;仿真程序。 设计要求 输入侧是一个20V的直流电压#xff0c;设计一个DC-DC变换器#xff0c;使其输出电压为10~40V#xff0c;要求纹波电压为0.2%#xff0c;电感电流连续#xff0c;开关…基于MATLAB的Buck-Boost升压-降压式变换器系统设计本设计包括设计报告仿真程序。设计要求输入侧是一个20V的直流电压设计一个DC-DC变换器使其输出电压为10~40V要求纹波电压为0.2%电感电流连续开关管选用MOSFET开关频率为20kHz,负载为10Ω。基于 MATLAB/Simulink 的 Buck-Boost 升压-降压式 DC-DC 变换器系统设计满足你的设计要求✅ 设计指标回顾项目 参数输入电压 $ V_{in} $ 20 VDC输出电压 $ V_{out} $ 可调范围10 ~ 40 V负载电阻 $ R_L $ 10 Ω开关频率 $ f_s $ 20 kHz → 周期 $ T_s 50\ \mu s $纹波电压要求 ≤ 0.2% of $ V_{out} $ → 最大纹波 $ \Delta V_{out} \leq 0.08\ \text{V} $按 40V 计工作模式 电感电流连续CCM开关器件 MOSFET理想开关模型 一、Buck-Boost 原理与参数设计电压转换关系CCM 模式Vout−Vin⋅D1−D V_{out} -V_{in} \cdot \frac{D}{1 - D}Vout​−Vin​⋅1−DD​注意Buck-Boost 输出为负极性。若需正输出可加反相器或使用非隔离型 SEPIC/Cuk但题目明确要求 Buck-Boost故保留负输出或在 Simulink 中取绝对值用于显示。为简化我们设计 输出幅值 为 10~40V极性忽略仿真中关注幅值。令 $ V_{out} V_{in} \cdot \frac{D}{1 - D} $解得占空比DVoutVinVout D \frac{ V_{out} }{V_{in} V_{out} }DVin​Vout​Vout​​$ V_{out} $ 所需 $ D $10 V $ 10/(2010) 0.333 $40 V $ 40/(2040) 0.667 $→ D 范围0.33 ~ 0.67电感设计保证 CCM临界电感公式Lmin⁡(1−D)2RL2fs L_{\min} \frac{(1 - D)^2 R_L}{2 f_s}Lmin​2fs​(1−D)2RL​​取最恶劣情况D 最大 0.67对应 $ V_{out}40VR_L10\Omega $Lmin⁡(1−0.667)2⋅102⋅20 000≈(0.333)2⋅1040 000≈1.1140 000≈27.8 μH L_{\min} \frac{(1 - 0.667)^2 \cdot 10}{2 \cdot 20\,000} \approx \frac{(0.333)^2 \cdot 10}{40\,000} \approx \frac{1.11}{40\,000} \approx 27.8\ \mu HLmin​2⋅20000(1−0.667)2⋅10​≈40000(0.333)2⋅10​≈400001.11​≈27.8μH取 L 100 μH留足裕量确保全范围 CCM输出电容设计满足纹波要求输出电压纹波电容充放电引起ΔVoutD⋅Vinfs⋅RL⋅C \Delta V_{out} \frac{D \cdot V_{in}}{f_s \cdot R_L \cdot C}ΔVout​fs​⋅RL​⋅CD⋅Vin​​推导自$ \Delta V \frac{\Delta Q}{C} \frac{I_{out} \cdot D T_s}{C} \frac{(V_{out}/R_L) \cdot D}{f_s C} $但更常用近似对于 Buck-Boost常用ΔVout≈D⋅Vinfs⋅RL⋅C \Delta V_{out} \approx \frac{D \cdot V_{in}}{f_s \cdot R_L \cdot C}ΔVout​≈fs​⋅RL​⋅CD⋅Vin​​取最坏情况D 0.67, $ V_{in}20V $, $ R_L10\Omega $, $ f_s20,kHz $, $ \Delta V_{out} 0.08\ V $解得C≥D⋅Vinfs⋅RL⋅ΔVout0.67⋅2020 000⋅10⋅0.0813.416 000≈837.5 μF C \geq \frac{D \cdot V_{in}}{f_s \cdot R_L \cdot \Delta V_{out}} \frac{0.67 \cdot 20}{20\,000 \cdot 10 \cdot 0.08} \frac{13.4}{16\,000} \approx 837.5\ \mu FC≥fs​⋅RL​⋅ΔVout​D⋅Vin​​20000⋅10⋅0.080.67⋅20​1600013.4​≈837.5μF取 C 1000 μF标准值ESR 忽略理想电容 二、MATLAB/Simulink 仿真程序由于纯 .m 脚本难以实现开关行为推荐使用 Simulink。以下是 完整 Simulink 模型搭建说明 控制脚本。若你必须用 .m 文件可用 ode45 求解分段微分方程但复杂。这里提供 Simulink MATLAB 脚本联合方案。✅ 方法使用 Simscape Electrical推荐步骤 1创建 Simulink 模型buck_boost.slxmatlab% 创建新模型modelName ‘buck_boost’;new_system(modelName);open_system(modelName);% 添加模块add_block(‘simulink/Sources/Constant’, [modelName ‘/Vin’], ‘Value’, ‘20’);add_block(‘simulink/Discontinuities/Signum’, [modelName ‘/Inverter’]); % 用于反转极性可选add_block(‘simulink/Commonly Used Blocks/Subsystem’, [modelName ‘/BuckBoost’], ‘Position’, [150 50 250 150]);% 构建子系统内部open_system([modelName ‘/BuckBoost’]);add_block(‘simulink/Ports Subsystems/In1’, [modelName ‘/BuckBoost/In1’]);add_block(‘simulink/Ports Subsystems/Out1’, [modelName ‘/BuckBoost/Out1’]);add_block(‘simulink/Ports Subsystems/Out2’, [modelName ‘/BuckBoost/Out2’]); % 电感电流% 使用 Ideal SwitchSimscapeadd_block(‘simulink/Continuous/Integrator’, [modelName ‘/BuckBoost/Integrator1’]);% 更简单直接用 Simscape 搭建close_system([modelName ‘/BuckBoost’]);% 改用 Simscape 搭建主电路delete_line(modelName, [modelName ‘/Vin’], [modelName ‘/BuckBoost’]);delete_block([modelName ‘/BuckBoost’]);% 使用 Simscape Electrical 元件add_block(‘simulink/Sources/Controlled PWM Voltage’, [modelName ‘/PWM_Source’], …‘Position’, [50 100 100 150]);add_block(‘simulink/Continuous/Transfer Fcn’, [modelName ‘/Plant’], …‘Numerator’, ‘[1]’, ‘Denominator’, ‘[1 0]’, ‘Position’, [150 100 200 150]); % 仅示意% 实际建议手动搭建如下见下方代码生成方式⚠️ 自动搭建复杂更推荐手动绘制 Simulink 模型。✅ 推荐手动生成 Simulink 模型你可复制结构Simulink 模型结构文字描述输入DC Voltage Source 20 V开关MOSFET用 Ideal Switch 或 MOSFET (Enhancement Mode) from Simscape Electrical Semiconductors二极管DiodeSimscape电感 L 100e-6 H电容 C 1000e-6 F负载 R 10 ΩPWM 信号由 Pulse Generator 产生频率 20 kHz占空比 D 可调0.33~0.67测量Voltage Sensor测输出Current Sensor测电感电流✅ MATLAB 脚本参数计算 启动仿真matlab%% Buck-Boost DC-DC Converter Designclear; clc; close all;% 设计参数Vin 20; % 输入电压 (V)RL 10; % 负载电阻 (Ω)fs 20e3; % 开关频率 (Hz)Ts 1/fs; % 开关周期Vout_target 40; % 目标输出电压幅值可改为10~40ripple_pct 0.002; % 0.2%% 计算占空比D Vout_target / (Vin Vout_target); % 因 Vout Vin D/(1-D)fprintf(‘所需占空比 D %.3f\n’, D);% 电感设计CCML_min (1 - D)^2 RL / (2 fs);L 100e-6; % 100 μHfprintf(‘最小电感 L_min %.2f μH, 选用 L %.0f μH\n’, L_min1e6, L1e6);% 电容设计纹波deltaV_max ripple_pct Vout_target;C_min D Vin / (fs RL deltaV_max);C 1000e-6; % 1000 μFfprintf(‘最小电容 C_min %.2f μF, 选用 C %.0f μF\n’, C_min1e6, C1e6);% 验证纹波deltaV_actual D Vin / (fs RL C);fprintf(‘实际纹波 %.4f V (%.3f%%)\n’, deltaV_actual, deltaV_actual/Vout_target100);% 启动 Simulink 仿真假设模型名为 buck_boost.slx% set_param(‘buck_boost/Pulse Generator’, ‘DutyCycle’, num2str(D));% simOut sim(‘buck_boost’, ‘StopTime’, ‘0.01’); % 仿真10msdisp(‘请在 Simulink 中搭建电路并设置 Pulse Generator 占空比为上述 D 值。’);disp(‘推荐输出观测输出电压、电感电流应连续。’);✅ Simulink 模型关键设置手动搭建指南新建模型 → buck_boost.slx添加元件从 Simscape ElectricalDC Voltage Source: 20 VMOSFET (or Ideal Switch)DiodeInductor: 100e-6 HCapacitor: 1000e-6 FResistor: 10 Ω驱动信号使用 Pulse GeneratorSimulink SourcesPeriod 50e-6 20 kHzPulse Width (%) D 100连接方式Buck-Boost 标准拓扑Vin —±–[MOSFET]— GND[L]±–[Diode]— Vout —[C]—[R]— GNDGND注意输出为负若要正电压可在输出端加反相运放或接受负输出。传感器在电感支路加 Current Sensor在输出端加 Voltage Sensor示波器观察 Vout 和 IL 三、预期仿真结果输出电压≈ -40 V幅值 40V纹波 0.08 V满足 0.2%电感电流连续、三角波无断续效率理想器件下接近 100% 四、设计报告建议内容引言Buck-Boost 应用背景工作原理CCM 模式分析、电压增益推导参数设计L、C、D 计算过程仿真模型Simulink 电路图 参数表结果分析波形截图Vout, IL、纹波测量、CCM 验证关于 Buck-Boost 变换器 的设计报告引言和设计思路。以下是基于该文档描述的完整 MATLAB/Simulink 仿真代码与建模方案✅ 设计目标回顾参数 值输入电压 $ V_{in} $ 20 VDC输出电压 $ V_{out} $ 10 ~ 40 V可调负载电阻 $ R_L $ 10 Ω开关频率 $ f_s $ 20 kHz纹波电压 ≤ 0.2% → 最大纹波 $ \Delta V_{out} \leq 0.08\ \text{V} $按 40V 计工作模式 电感电流连续CCM控制方式 PWM 占空比调节 一、Buck-Boost 拓扑原理电压增益公式CCMVout−Vin⋅D1−D⇒VoutVin⋅D1−D V_{out} -V_{in} \cdot \frac{D}{1 - D} \Rightarrow V_{out} V_{in} \cdot \frac{D}{1 - D}Vout​−Vin​⋅1−DD​⇒Vout​Vin​⋅1−DD​解得占空比DVoutVinVout D \frac{ V_{out} }{V_{in} V_{out} }DVin​Vout​Vout​​$ V_{out} $ 所需 $ D $10 V $ 10/(2010) 0.333 $40 V $ 40/(2040) 0.667 $→ D ∈ [0.33, 0.67] 二、关键参数计算MATLAB 代码matlab%% Buck-Boost DC-DC Converter Design Parametersclear; clc;% 输入参数Vin 20; % 输入电压 (V)RL 10; % 负载电阻 (Ω)fs 20e3; % 开关频率 (Hz)Ts 1/fs; % 开关周期Vout_max 40; % 最大输出电压幅值ripple_pct 0.002; % 0.2%% 1. 计算最大占空比D_max Vout_max / (Vin Vout_max); % ≈ 0.667fprintf(‘最大占空比 D_max %.3f\n’, D_max);% 2. 电感设计保证 CCM% 使用临界电感公式L_min (1-D)^2 RL / (2f_s)L_min (1 - D_max)^2 RL / (2 fs);L 100e-6; % 选用 100 μHfprintf(‘最小电感 L_min %.2f μH, 选用 L %.0f μH\n’, L_min1e6, L1e6);% 3. 电容设计满足纹波要求deltaV_max ripple_pct Vout_max; % 最大允许纹波C_min D_max Vin / (fs RL deltaV_max);C 1000e-6; % 选用 1000 μFfprintf(‘最小电容 C_min %.2f μF, 选用 C %.0f μF\n’, C_min1e6, C1e6);% 4. 验证实际纹波deltaV_actual D_max Vin / (fs RL C);fprintf(‘实际纹波 %.4f V (%.3f%%)\n’, deltaV_actual, deltaV_actual/Vout_max100);% 5. 输出电压极性说明fprintf(‘注意Buck-Boost 输出为负电压若需正压需加反相电路。\n’); 三、Simulink 仿真模型搭建文字版⚠️ 由于无法直接发送 .slx 文件以下为 手动搭建指南 MATLAB 启动脚本 模型结构Simscape Electrical打开 Simulink新建模型buck_boost.slx添加模块从 Simscape Electrical模块 参数DC Voltage Source Voltage 20 VIdeal Switch 或 MOSFET 控制端接 PWMDiode 默认Inductor L 100e-6 HCapacitor C 1000e-6 FResistor R 10 ΩPulse Generator Period 50e-6 s, Pulse Width (%) 66.7%对应 40VCurrent Sensor 测电感电流Voltage Sensor 测输出电压Scope 观察波形 连接方式拓扑图Vin —[Switch]— GND[L]±–[Diode]— Vout —[C]—[R]— GNDGND注意开关导通时电感充电关断时电感通过二极管放电到负载。 四、MATLAB 启动仿真脚本自动设置参数matlab%% 自动配置 Simulink 模型并运行仿真clear; clc;% 设置占空比例如目标输出 40VD 0.667;set_param(‘buck_boost/Pulse Generator’, ‘PulseWidth’, num2str(D*100));% 设置仿真时间set_param(‘buck_boost’, ‘StopTime’, ‘0.01’); % 10ms% 启动仿真simOut sim(‘buck_boost’);% 提取数据假设输出名为 Vout 和 ILVout simOut.get(‘Vout’);IL simOut.get(‘IL’);% 绘图figure;subplot(2,1,1);plot(Vout.Time, Vout.Data);title(‘输出电压 Vout’);xlabel(‘时间 (s)’);ylabel(‘电压 (V)’);grid on;subplot(2,1,2);plot(IL.Time, IL.Data);title(‘电感电流 IL’);xlabel(‘时间 (s)’);ylabel(‘电流 (A)’);grid on; 五、预期仿真结果输出电压≈ -40 V幅值 40V纹波 0.08 V满足 0.2%电感电流连续三角波无断续稳态响应快速建立无振荡 六、设计报告建议内容引言Buck-Boost 应用背景升降压工作原理电压增益推导、CCM 条件参数设计L、C、D 计算过程纹波分析仿真模型Simulink 图 参数表结果分析波形截图、纹波测量、CCM 验证结论系统满足设计要求