基于Multisim 的Boost电路仿真研究-毕业论文

第 1 页 共 6 页基于 Multisim的Boost 电路仿真研究 基于基于Multisim Multisim 的的 BoostBoost电路仿真研究电路仿真研究 摘要 摘要： 介绍了直流斩波的基本原理及直流升压电路 Boost 的结构和特性。利用 EDA 软件 Multisim10.0 建立了 Boost 电路的仿真模型，通过对仿真结果的对比分析，验证了直流斩波理论的正 确性，确定了一组模型的最佳参数。同时表明了 Multisim10.0 的强大的仿真能力在电力电子电路设计 中具有很好的辅助作用。 关键词 关键词：直流变换，Boost，Multisim10.0，仿真，最佳参数 1 1 概述概述 电力电子技术是利用电力半导体器件实现对电能的高效能变换与控制的一门学问，电力电子电路 的设计一直是电力系统设计的重点与难点，计算机仿真技术的发展为普通科研人员进行电力系统仿真 奠定了坚实的基础 Multisim10.0 是美国 NI 公司推出的 Multisim 系列比较新的版本，在国外它是一款 业界比较流行的电子设计仿真软件。近几年国内很多大学和科研机构也纷纷将它引入到教学和科研中 去。 它用软件的方法虚拟电子与电工，以及电子与电工仪器仪表通过软件将元器件和仪器集合为一体。 它提供了大量的虚拟元器件，工程师可以随时调用这些虚拟器件进行参数的修改或设置，避开了 要从浩瀚的电子元器件中，选择自己所需要的型号的麻烦可以让工程师把更多的精力放在对电路功能 的设计上来。在该版本中包含了常见的电力电子原器件，如绝缘栅双极晶体管 IGBT，功率 MOSFET 等完全胜任电力电子电路的设计与仿真工作。 直流斩波电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动开关电源单相功率因素校正逆变器，以及其 他领域的交直流电源等。利用 Multisim 进行直流升压斩波电路的仿真设计避免了繁琐的计算过程，可 以实现设计与实验同步进行，且该软件的操作界面友好。比起国内比较流行的 Pspice 仿真软件来说， 其仿真能力同样优秀，但在操作简洁上胜过 Pspice。 2 2 直流斩波电路的基本原理直流斩波电路的基本原理 将直流电能转换为另一种固定电压或电压可调的直流电能的电路称为直流斩波电路。它利用电力 开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，因此也称为开关型 DC/DC 变换电路或直流斩波 电路。 基本的直流变换电路原理如图 1(a)所示 T 为全控型开关管 R 为纯电阻性负载当开关 T 在时间 ton 开通时电流流经负载电阻 R，R 两端就有电压；开关 T 在时间 toff 关断时，R 中电流为零电压也就变 为零。直流变换电路的负载电压波形如图 2-1(b)。定义上述电路中脉冲的占空比为 offon on tt t Ts D on t （1） 式中， s T为开关管T的工作周期， on t为开关管T的导通时间,由图1(b)的波形可知输出电压的平均值为 dd s on T d DUU T t dtU T U s 0 s 0 1 （2） 此式说明控制开关管的导通与关断来控制 就可以达到控制输出电压。 第 2 页 共 6 页基于 Multisim的Boost 电路仿真研究 (a) (b) 图 1 基本的直流变换电路和负载波形 3 3 升压变换电路的建模升压变换电路的建模 直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路为升压变换电路，又称为 Boost 电路。利用 Multisim 建立的仿真模型如图 2 所示,图中 T 全控型开关器件，D 是快恢复二极管，XFG1 为频率和占 空比都可调的函数发生器 ，用于产生驱动开关器件 T 所需的脉冲信号，XSC1 为虚拟示波器可以和真 实的示波器一样实时观测负载电压波形 。 假设输入电源电压为 d U，输出负载电压为 0 U，流过电感的电流为 L I。 当T 在出发信号作用下导通时，电路处于 on t 工作器件 D 承受反向电压而截止 。一方面能量从直 流电源输入并存储到 L中,电感电流从 I1线性增大到 I2 ；另一方面 R由 C 提供能量。显然 L中的感应 电动势与 d U相等。则有 on L on d t I L t II LU 12 （3） d L on U I L t （4） 第 3 页 共 6 页 )9( 1 d D I I d 基于 Multisim的Boost 电路仿真研究 图2 Boost 电路仿真模型 当 T 被控制信号关断时，电路处于 off t 工作期 间，D 导通由于 L 中的电流不能突变产生感 应电动势阻止电流减小，此时 L 中存储的能量经 D 给 C 充 电，同时也向 R 提供能量在理想条件下电感电流从 2 I线性减小到 1 I ，由于 L 上的电压等于 d0 UU， 因此可得 ）（ ）（ ）（ ）（ 8 1 t 7 6 5 off 0 0 0 d0 D U U t t U t L UU L tU I UU L t t I LUU d d off on off dond L d off on L 其中D 为占空比 ，当 D=0时 d0 UU，但 D不能为 1 。因此 D 在 0-1变化范围内输出电压总是大 于或等于输入电压。在理想条件下电源输出电流和负载电流的关系为 变换器的开关周期为 s T， L dd offon I UUU LU ttT )( 0 0 s (10) fL DU fLU UUU I ddd L 0 0 )( (11) 由式(11)可见，电感电流的脉动引起输出电压的脉动，为减小输出电压纹波，可以采取增大电 感L 或者提高频率的方法 。一般来说电感值的增大，会引起电感体积的增大。所以应选择合理的电感 值，提高斩波频率，即开关器件的开关频率是一种有效的方法。 另外一种常用方法为在负载两端并联电容，使得 i1= ic 即输出电压纹波，可以看成是交流分量 经电容进入接地端，从而稳定输出电压在实际设计电路时电感 L 电容 C 开关频率 f 值的确定比较困难。 利用Multisim工具建立仿真模型，可方便的修改元器件参数以满足设计的要求。 4 4 仿真与分析仿真与分析 电路的仿真模型如图 3 所示各参数设置为输入电压 Ud=50V，R=50，C=4.7mF,D=50%。由式(11) 可知改变开关频率 f 电感 L 的值，可以有效的抑制电流的脉动，从而使负载处电压保持稳定。分别讨 论f 和L的取值对输出变压波形的影响。 1 )1 )电感对输出电压波形的影响电感对输出电压波形的影响 第 4 页 共 6 页基于 Multisim的Boost 电路仿真研究 分别取 1 L=50mH, 2 L=500mH,f=100Hz，利用虚拟示波器观察其仿真的输出电压波形 (a) (b) (c) (d) 图 3电感取 1 L, 2 L时的负载电压波形 如图 3 所示 ，其中图 3(a)3(c)分别为电感为 1 L时的负载电压波形与电路进入稳态后的一段电压 第 5 页 共 6 页基于 Multisim的Boost 电路仿真研究 波形图。 3(b)3(d)为电感为 2 L时的负载电压波形与电路进入稳态后的一段电压波形。 从图 3(a)3(b)比较可以看出随电感的增大输出电压进入稳态的时间差别较大，当 L 取 50mH 时， 大约经 240ms 进入稳态状态，而当 L 取 500mH 时，大约经 480ms 进入稳态。但是从图 3(c)3(d)的比较 可以看出，L 取值相对小时，其稳态电压的脉动相对大。值得注意的是，L 取值相对大时，电压的平均 输出值的下降变大，L 取 50mH 时输出电压可达 99.9V,取500mH时输出电压不到 98V。 2 2 ）开关频率对输出电压波形的影响）开关频率对输出电压波形的影响 取 L=50mH，f=1000Hz ，电压波形如图 4 所示，其中图 4(a)4(b)分别为电感的负载电压波形和 电路进入稳态后的一段电压波形。从图中可以看出，适当增大频率后，负载输出电压波形稳定脉动极 小，完全适合工程应用的需要，开关频率越大理论上来说输出电压的脉动就越小。但是此时开关器件 的损耗正大，同时在电感上的感抗增大， 所以在提高开关频率的时候应考虑开关损耗对电路的影响. (a) (b) 图 4 f=1000Hz 负载电压波形 通过以上分析可以看出，输出电压 Uo 约为 100V,满足式(8),与升压理论的分析一致,考虑到成 本与输出电压的稳定度，确定该模型的最佳参数为：电感 L=50mH开关频率f=1kHz。 电容的选取尽量稍大为好，此处选取 C=4.7mF 符合工程设计的需要。 结束语结束语 电子系统的建模、仿真是现代电子系统设计中不可或缺的重要环节 。利用 Multisim10.0 进行 Boost 电路的仿真设计，避开繁琐的数学推导过程，用其自带的虚拟仪器测试的仿真波形几乎与上万 元的示波器测得的波形所差无几，并且大量的虚拟元器件的提供，使建模速度很快就可完成大大加速 电子系统的分析与设计进程。 参考文献参考文献 1 廖冬初,聂汉平.电力电子技术M.武汉:华中科技大学出版社,2007. 2 聂典,丁伟.Multisim 10 在电子电路设计中的应用M.北京:电子工业出版社,2009:370-372. 第 6 页 共 6 页基于 Multisim的Boost 电路仿真研究 3 王辉,程坦.直流斩波电路的 Matlab仿真研究J.现代电子技术,2009(5):174-175. 4 姜春玲.基于Matlab 的 Buck 电路的研究J.现代电子技术,2008,24:31-33. 5 彭介华等主编电子技术课程设计指导，高等教育出版社，2002,03. 6 C.M.liaw ， F.J.Lin ， Y.S.Kung,“Design and implementation of a high performance induction motor servo drive”,IEEE Proceedings-B，Vol.140