基于MULTISIM的BUCK-BOOST电路仿真

372011年第5期（总第115期）信息通信INFORMATION&COMMUNICATIONS2011（Sum.No115）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：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；计算机仿真中图分类号：TN702文献标识码：A文章编号：1673-1131（2011）05-0037-02Abstract:ThispapertakestheBuck-BoostcircuitasanexampleofcomprehensiveanalysisbasedonthepowersimulationfunctionofMultisim.Asitturnsout,Multisimisanidealtoolforstudentsmajoredinelectricaltoacqurieatasteinstudyandenhanceabilitiesincombiningtheoryandpractice.Keywords：Multisim；Buck-Boostcircuit；ripplevoltage；computersimulationMultisim软件是当今模拟电路仿真的主流软件，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。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。1Buck-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RL和控制电路等组成。图1Buck－Boost电路原理图1.1电路工作状态分析假设储能电感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iL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t=ton时，iL线性上升到（1）式中ILO是Q导通前流过L的电流。[2]经过ton时间后，Q截止，D导通。t=toff时，L中电流下降到极小值：（2）[3]输入直流电压V1和输出直流电压V2的关系将（2）式代入（1）式可得：（3）1.2纹波电压ΔUp-p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ILtoff=loT，又由（2）得（4）设流过C的电流为ico，设电容值为C0，则（5）（2）式代入（5）式得：通过ico求出toff期间C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V2=12V为一定，占空比可自动调节。求导发现，只要V1＜24V，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RL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。2Buck-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。图2Buck-Boost仿真电路图38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。图3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）。（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。图4输入功率图5输入功率（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）。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。3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，在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。参考文献：[1]陈坚．电力电子技术[M]．北京：高等教育出版社，2004[2]王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．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孙楚等：基于MULTISIM的BUCK-BOOST电路仿真信息通信