基于MULTISIM的BUCK-BOOST电路仿真

基于MULTISIM的BUCK-BOOST电路仿真孙楚，梁金义（北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191）摘要：电力电子学是一门实践性很强的学科。随着计算机技术的发展，用软件对一些电路进行仿真有助于从多角度理解其工作原理和元器件实际工作情况。通过改变电路参数，将直观结果与理论计算结果进行对比更能发现许多硬件实验难以发现的问题。本文基于Multisim的强大模拟功能，以Buck-Boost电路为例，从多个方面对其进行了仿真，并对其结果进行了分析。事实证明，Multisim对于激发电气专业学生的学习兴趣、提高其理论与实践相结合的能力具有指导意义。关键词：Multisim，Buck-Boost电路，纹波电压，计算机仿真SimulationOfBuck-BoostCircuitBasedOnMultisimSUNChu，LIANGJinyi（SchoolOfElectricalEngineeringAndAutomation,BeijingUniversityOfAeronauticsAndAstronautics,Beijing,100191）Abstract:Powerelectronicsisasubjectcharacterizedbypracticalcapability.Withthedevelopmentofthecomputertechnology,wecannowgetabetterunderstandingofthecircuittheoryandtheworkingstateoftheelectroniccomponentsbysoftwaresimulation,andcomparethevisualoutputswiththetheoreticalresultsbychangingthecircuitparameters.ThispapertakestheBuck-BoostcircuitasanexampleofcomprehensiveanalysisbasedonthepowersimulationfunctionofMultisim.Asitturnsout,Multisimisanidealtoolforstudentsmajoredinelectricaltoacqurieatasteinstudyandenhanceabilitiesincombiningtheoryandpractice.Keywords：Multisim，Buck-Boostcircuit，ripplevoltage，computersimulation1.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Q、储能电感L、二极管D、滤波电容C、负载电阻LR和控制电路等组成。V1QDLCRL+-V2Io图1Buck－Boost电路原理图2.1电路工作状态分析作者简介：孙楚，男，汉族，1990年出生，北京航空航天大学电气工程及其自动化专业大三学生，（Email）[e-mail]。梁金义，男，汉族，1988年出生，北京航空航天大学电气工程及其自动化专业大三学生，（Email）[e-mail]。假设储能电感L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Li可近似认为是线性的，并设开关管Q及二极管都具有理想的开关特性。分析电路图可以得到：[1]Q导通期间，D截止当ontt时，Li线性上升到1max0LonLVitIL（1）式中0LI是Q导通前流过L的电流。[2]经过ont时间后，Q截止，D导通。offtt时，L中电流下降到极小值：20minmaxoffLLLVIitiL（2）[3]输入直流电压1V和输出直流电压2V的关系将（2）式代入（1）式可得：minmax2LiiI21111ononoffonttVVVVtTt（3）2.2纹波电压PPU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0LoffItIT，又由（2）得2202offVtILT（4）设流过C的电流为coi，设电容值为0C，则00coDLiiIiI（5）（2）式代入（5）式得：2max0coLViitIL。通过coi求出offt期间C充电电压的增量，就可得到输出纹波电压PPU，即22max0000112PPoffcoLoffofftVUidtiIttCCL（6）由于（1）、（2）、（4）、（6）四式得到：222222130012122()PPoffofftVVVTUtLCTLCVV（7）由于试验中212VV为一定，占空比可自动调节。求导发现，只要124VV，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LR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。3.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：（1）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。（2）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。（3）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。（4）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（5）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。（6）输出纹波随输入电压的变化。单击Simulate菜单中Analysis选项下的ParameterSweep选项，设置DeviceParameter），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。图2.Buck-Boost仿真电路图图4.输入功率图5.输入功率图6.输出电压随输入电压的变化（7）输出纹波随负载的变化同上在参数扫描选项中设置输出电阻的变化范围。实验结果表明，当负载小于7Ω时有跳变，不稳定。随着负载电阻（50Ω-500Ω）的升高出电压在12V附近有小幅度的上升，波动越来越小，即纹波越来越小。这和理论是一致的。图7.输出电压随负载的变化（8）测量温度影响。在SweepParameter选项下选择温度扫描（Temperature）。结果显示通过改变环境温度，测量输出直流电压，电路在22.7度到27.3度之间工作正常（图8）。其他范围工作不正常（图9）。以上主要针对输入电压和输出电阻对纹波电压的影响以及温度对电路工作状态的影响进行了初步的分析，在仿真电路中也可加入傅里叶分析模块，结果显示该电路的各次谐波都很小，这与理论上开关型稳压电源的输出谐波小是相符的。4.结语从仿真结果可以看出，Buck-Boost电路的输出纹波电压与输入电压成正比，与输出电阻成反比，这和理论是一致的。计算机建模与仿真是当今电子技术发展的必然趋势。无论电路是简单还是复杂，用户无需编程和复杂的数学推导就可直观的看到仿真结果，再此基础上可以进一步展开多方面的分析设计和改进，这不仅有利于理论研究，也有利于工程实践。作为模拟电路仿真的重要工具，Multisim在电力电子电路仿真同样有用武之地，对于大学阶段的本科生学习电力电子课程无疑是有益的。参考文献【1】陈坚．电力电子技术M．2版．北京：高等教育出版社，2004【2】王兆安，黄俊．电力电子技术M．4版．西安：西安电子科技大学出版社，2006【3】李哲英，骆丽，李金平．模拟电子线路分析与Multisim仿真M．北京：机械工业出版社，2008【4】熊伟，侯传教，梁青，孟涛．Multisim7电路设计及仿真应用M．北京：清华大学出版社，2005【5】姜春玲，王春玲．基于Matlab的Buck电路的研究J，2008，24：31-33．图8.电路工作正常时输出波形图9.电路工作异常时的输出波形