BUCK–BOOST电路仿真.doc

基于MULTISIM的BUCK-BOOST电路仿真 Multisim S 1.引言 电力电子技术的发展才经历半个世纪，其应用已遍及电力系统的方方面面，作为一门理论和实践紧密结合的学科，只停留在理论上的研究显然是不够的，然而电力电子器件种类繁杂，电路多种多样，仅仅依靠硬件实验显然难以满足学生实践的需求。由于硬件实验常常要涉及强电，这在安全性和普及性上也是不可行的。 随着计算机技术的不断发展，电力电子与计算机相结合已成大趋势。近二十年来，软件仿真作为电力电子领域研究的重要手段，其高效性、高精度、可靠性和经济性得到了广泛的证明。Multisim软件是当今模拟电路仿真的主流软件，是广大学生学习模拟电路的有力工具，其丰富的元器件库、直观的图形界面和完备的分析手段为电路仿真提供了有效的平台。在电力电子教学中,用Multisim对电路进行仿真能够帮助学生更加深刻地理解各器件和电路的工作状态和原理，提高其分析和设计电力电子电路的能力，对于改善教学质量和增强学生的实践能力具有重要作用。本文以Buck-Boost电路在Multisim环境下的仿真为例，旨在演示Multisim在电力电子仿真方面的一些应用。 2. Buck-Boost电路的工作原理 降升压斩波电路的原理图如图1所示。由可控开关、储能电感、二极管、滤波电容、负载电阻和控制电路等组成。 图 1 Buck－Boost电路原理图 2.1 电路工作状态分析 假设储能电感足够大，其时间常数远大于开关的周期，流过储能电感的电流可近似认为是线性的，并设开关管及二极管都具有理想的开关特性。分析电路图可以得到： 导通期间，截止当时，线性上升到 （1） 式中是Q导通前流过的电流。 经过时间后，截止，导通。时， 中电流下降到极小值： （2） 输入直流电压和输出直流电压的关系 将（2）式代入（1）式可得： （3） 2.2 纹波电压推导 根据电荷守恒定律，电感在开关管截止期间，释放的电荷量等于负载在一个周期内所获得的电荷总量，即，又由（2）得 （4） 设流过的电流为，设电容值为，则 （5） （2）式代入（5）式得： 。通过求出期间充电电压的增量，就可得到输出纹波电压，即 （6） 由于（1）、（2）、（4）、（6）四式得到： （7） 由于试验中为一定，占空比可自动调节。求导发现，只要，纹波电压随输入电压成反相关。事实上，实际输出端所带负载将直接影响整个电路的线性条件，当很小时，输出当近似短路，电容作用将大大减弱，非线性将增强。只有当所带负载较大时，才能符合线性条件，纹波电压较小。 Buck-Boost仿真模型的建立及分析 仿真电路如图所示。为了使输出电压更稳定，该电路中用到了反馈环节。从输出端采样得到的电压与运放的负端的标准电压进行比较后，输出控制信号对Buck-Boost模块进行调节，自动维持输出电压稳定。 创建步骤如下： 从基本元件库（Basic）中选择电源、电阻，并双击修改为合适的参数。 在Multisim的多功能元件库（miscellaneous）中选择降升压电路模块，双击修改成图示参数。即电感L=100uH，电容R=10MΩ，频率f=20kHz。 用示波器观察结果。单击工具栏中的Oscilloscope按钮，移动到图示位置。点击仿真按钮，双击示波器图标，就会在窗口中显示输出电压波形。 初步分析。电路输入由一个直流电压源和一个交流电压源串联而成，为了研究输入电压大范围变化对输出直流电压的影响，其变化范围是108.8~111.2V，而输出直流电压都稳定在12V（运放负端引自参考电压12V）。 图3. 输出电压波形 测量输入功率和输出功率。在Instument栏中，选择瓦特表（Wattmeter）。由此可求得电路效率为87.92％，进一步调整输入电压和输出电阻，可使效率更高。 输出纹波随输入电压的变化。单击Simulate菜单中Analysis选项下的Parameter Sweep选项，设置Device Parameter），并按默认的瞬态分析。可见随着输入直流电压（30v-300v)的升高，输出电压在12V附近有小幅度的上升。同时输入电压的增大，输出纹波减小，实验结果和理论完全一致。