multisim buck電路仿真

1、第一章 概述1.1 直流直流變換的分類(lèi) 直流直流變換器（DC-DC）是一種將直流基礎(chǔ)電源轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌妷悍N類(lèi)的直流變換裝置。目前通信設(shè)備的直流基礎(chǔ)電源電壓規(guī)定為48V，由于在通信系統(tǒng)中仍存在24V（通信設(shè)備）及+12V、+5V（集成電路）的工作電源，因此，有必要將48V基礎(chǔ)電源通過(guò)直流直流變換器變換到相應(yīng)電壓種類(lèi)的直流電源，以供實(shí)際使用。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱(chēng)為直流斬波。主要有（1）Buck電路降壓斬波，其輸出平均電壓小于輸入電壓，極性相同。（2）Boost電路升壓斬波，其輸出平均電壓大于輸入電壓，極性相同。（3）BuckBoost電路降壓升壓斬波，其輸出平均

2、電壓大于或小于輸入電壓，極性相反,電感傳輸。（4）Cuk電路降壓或升壓斬波，其輸出平均電壓大于或小于輸入電壓，極性相反，電容傳輸。此外還有Sepic、Zeta電路。1.2 直流直流變換器的發(fā)展 當(dāng)今軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國(guó)VICOR公司(美國(guó)懷格公司,國(guó)際知名的電源模塊生產(chǎn)廠家)設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（8090）%。日本NEMICLAMBDA(聯(lián)美蘭達(dá),日本的開(kāi)關(guān)電源廠商.2012年蘭達(dá)被TDK收購(gòu),名稱(chēng)也改為T(mén)DK-LAMBDA)公司最新推出

3、的一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊RM系列，其開(kāi)關(guān)頻率為（200300)kHz，功率密度已達(dá)到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二極管），使整個(gè)電路效率提高到90%。第2章 降壓升壓斬波電路的設(shè)計(jì)2.1 基本工作原理電路原理圖如圖2-1所示,基本工作原理如下:圖2-1: 降壓升壓斬波電路原理圖設(shè)電路中電感L值很大,電容C值也很大。使電感IL和電容電壓即負(fù)載電壓uo基本為恒值。當(dāng)可控開(kāi)關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲(chǔ)存能量，此時(shí)電流為i1,方向如圖2-1a)所示。同時(shí)，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放，電流

4、為i2,方向如圖2-1a)所示?？梢?jiàn),負(fù)載電壓極性為上正下負(fù),與電源電壓極性相反,因此又稱(chēng)為反極性斬波電路。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓ul對(duì)時(shí)間積分為零,即當(dāng)V處于通態(tài)期間,uL=E;而當(dāng)V處于斷態(tài)期間,uL=-u0。于是所以輸出電壓為改變占空比,輸出電壓既可以比電源電壓高,也可以比電源電壓低。當(dāng)0<<1/2時(shí)為降壓,當(dāng)1/2<<1時(shí)為升壓,因此將該電路稱(chēng)為降壓升壓斬波電路。也有的文獻(xiàn)直接按英文稱(chēng)之為buck-boost 變換器。圖2-1b)給出了電源電流i1和負(fù)載電流i2的波形,設(shè)兩者的平均電流分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有由上式可得 如果V和VD

5、為沒(méi)有損耗的理想開(kāi)關(guān)時(shí)，則EI1=U0I2，其輸出功率和輸入功率相等，可以看做直流變壓器。2.2 觸發(fā)方式根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同,斬波電路可以有三種控制方式:保持開(kāi)關(guān)周期T不變,調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton,稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM ),或脈沖調(diào)寬型。保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變，改變開(kāi)關(guān)周期T，稱(chēng)為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。ton和T都可調(diào),使占空比改變,稱(chēng)為混合型。其中第一種方式應(yīng)用最多。第3章 電路仿真及其分析 直流降壓升壓斬波變換電路的輸出電壓可以高于或者低于輸入電壓，它具有一個(gè)相對(duì)于輸入電壓公共端為負(fù)極性的輸出電壓。在電路中，改變占空比系

6、數(shù),即可改變輸出電壓。3.1電路為直流降壓斬波變換電路時(shí)的波形及其分析 基于Multisim的直流降壓升壓斬波電路的仿真電路圖如圖3-1所示，當(dāng)函數(shù)發(fā)生器的設(shè)置如圖3-2所示。占空比系數(shù)為10%時(shí)，直流電壓表指示的輸出電壓如圖。其中特別注意直流電壓表的接入方向問(wèn)題，由此可見(jiàn)輸出電壓小于輸入電壓，完成降壓斬波功能。直流電壓表示數(shù)如圖3-3所示，示波器顯示的輸出電壓信號(hào)波形如圖3-4所示。圖3-1：直流降壓升壓斬波變換電路(降壓時(shí))圖3-2:信號(hào)發(fā)生器板面設(shè)置圖3-3:直流電壓表示數(shù)圖3-4:輸出電壓信號(hào)波形 下面對(duì)仿真結(jié)果分析如下:在仿真電路圖中,電源電壓E設(shè)為9V,開(kāi)關(guān)管為2SK2070L,即

7、Silicon N Channel MOS FET High Speed Power Switching,是一種高速的MOSFET開(kāi)關(guān)管,由日立公司(HITACHI)生產(chǎn),函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置足以驅(qū)動(dòng)MOSFET,占空比設(shè)為10%,由計(jì)算公式在理論上輸出電壓值應(yīng)為1V，但是由于開(kāi)關(guān)不是理想的，存在一定的壓降，所以輸出電壓略小于理論值。3.2 電路為直流升壓斬波電路時(shí)的波形及其分析 在圖3-5所示的電路中，函數(shù)發(fā)生器的設(shè)置如圖3-6，占空比系數(shù)=0.7時(shí)，直流電壓表的輸出電壓如圖3-8所示，可見(jiàn)輸出電壓大于輸入電壓，完成了升壓的功能。示波器顯示的輸出電壓信號(hào)波形如圖3-8 a）和3-8 b)

8、所示。圖3-5：直流降壓升壓斬波電路(升壓時(shí))圖3-6:信號(hào)發(fā)生器設(shè)置面板圖3-7:直流電壓表示數(shù)圖3-8 a):輸出電壓波形圖3-8 b):輸出電壓波形下面對(duì)仿真結(jié)果分析如下:與降壓斬波電路相比,唯一的不同之處在于函數(shù)發(fā)生器占空比的參數(shù)設(shè)置不同,這也是電路可以實(shí)現(xiàn)降壓和升壓的根本所在。在此仿真結(jié)果中，得出的實(shí)際電壓與理論的電壓相當(dāng)接近，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。在進(jìn)行輸出電壓的波形分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行第一次的輸出電壓仿真結(jié)果顯示時(shí)得到如圖3-8 a)所示的波形,這是由于在第一次仿真時(shí),電容電感儲(chǔ)能元件需要一定的時(shí)間建立自身的能量,所以波形有一個(gè)逐漸過(guò)渡的過(guò)程,而在建立了儲(chǔ)能過(guò)程后,由于電感L可以維持電

9、流基本不變,電容可以基本維持電壓,使得此時(shí)電壓的輸出波形接近一條平行于時(shí)間軸的直線。第4章 直流斬波電路的發(fā)展前景直流傳動(dòng)是斬波電路應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，而開(kāi)關(guān)電源則是斬波電路應(yīng)用的新領(lǐng)域，前者的應(yīng)用是逐漸萎縮，而后者的應(yīng)用方興未艾、欣欣向榮，是電力電子領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。 直流變換電路的用途非常廣泛，包括直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)、開(kāi)關(guān)電源、單相功率因數(shù)校正，以及用于其他領(lǐng)域的交直流電源。直流變換技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，如不間斷電源（UPS）、無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、蓄電池供電的機(jī)動(dòng)車(chē)輛的無(wú)級(jí)變速及20世紀(jì)80年代興起的電動(dòng)汽車(chē)的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)收到節(jié)約

10、電能的效果。由于變速器的輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來(lái)的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調(diào)壓的作用，同時(shí)還能起到有效地抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的作用。結(jié)論 直流斬波電路的種類(lèi)較多，包括六種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。但是前兩種是最基本的電路。利用不同的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成復(fù)合斬波電路，如電流可逆斬波電路、橋式可逆斬波電路等。利用相同的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐贰?在本次課程設(shè)計(jì)中，我通過(guò)對(duì)降壓升壓斬波電路的設(shè)計(jì)，得出如下一些結(jié)論：(1) 降壓升壓斬波電路是綜合了單純的降壓斬波電路和升壓斬波電路

11、，所以使用起來(lái)更方便，更加靈活。(2) 降壓升壓斬波電路與Cuk斬波電路相比,存在一個(gè)缺點(diǎn),其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流是階躍變化的,這樣對(duì)輸入和輸出濾波的效果不是很理想。(3) 由于存在著 不可避免的器件自身壓降以及自身?yè)p耗的問(wèn)題，所以實(shí)際的結(jié)果會(huì)和理論有一定的偏差，我們的最終目的就是減小這種偏差，根本途徑就是設(shè)計(jì)性能更好的器件，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，最新的器件正在一步步替代老的器件。(4) 直流降壓升壓斬波電路是夠成開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)，各種電源都是以此為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)化的。心得體會(huì) 回顧起此次電力電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)，感慨頗多，在一個(gè)星期的日子里可以說(shuō)是整天都充滿(mǎn)著壓力與忙碌，每天加班加點(diǎn),自己也的

12、確從此次安排的課程設(shè)計(jì)中學(xué)到了很多東西。從開(kāi)始得到老師公布開(kāi)始課程設(shè)計(jì)時(shí)的一臉茫然到到自己通過(guò)查資料、與同學(xué)共同探討、經(jīng)過(guò)老師指導(dǎo)后，自己設(shè)計(jì)并寫(xiě)出這份課程報(bào)告，心中充滿(mǎn)了成就感。通過(guò)課程設(shè)計(jì)還拓寬了知識(shí)面，學(xué)到了很多課本上沒(méi)有的知識(shí)，報(bào)告只有自己去做能加深對(duì)知識(shí)的理解，任何困難只有自己通過(guò)努力去克服才能收獲成功的喜悅。本次課程設(shè)計(jì)還讓我明白了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，只有通過(guò)實(shí)際的動(dòng)手才能加深對(duì)于理論知識(shí)的理解。在做課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中我發(fā)現(xiàn)自己對(duì)課本知識(shí)的理解不夠深刻，掌握的不太牢靠，以后一定會(huì)努力地溫習(xí)以前的知識(shí)。此次的課程設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了Multisim 10進(jìn)行電路仿真，也練習(xí)了使用的熟練程度。此外對(duì)論文的的格式要求等有了比較清晰的認(rèn)識(shí)，也為了以后畢業(yè)論文的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。最后,感謝張老師對(duì)我在課程設(shè)計(jì)時(shí)的指導(dǎo)！謝謝張老師！參考文獻(xiàn)1 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)M.第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20092 樊立平，王忠慶.電力電子技術(shù)M.北京：北京大學(xué)出版社,20063 張占松,蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理