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1、基于Multisim的Boost电路仿真研究第1贞共7贞基于Multisim的Boost电路仿真研究XX (XX学院物理与电气工程学院)指导教师：XX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MultisimlO. 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，确左了 一组模型的最佳参数。同时表明了 MultisimlO. 0的强大的仿貞能力在电力电子电路设讣中具有很好的 辅助作用。关键词：直流变换,Boost, Multisim 10.0,仿真,最佳参数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
2、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貞 奠左了坚实的基础Multisim 10.0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汁仿真软件。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
3、。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貞设计避免了繁琐的讣算过程，可 以实现设计与实验同步进行，且该软件的操作界而友好。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Pspicc。2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
4、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)泄义上述电路中脉冲的占空比为 =仏=(1)Ts tmi +toff式中，7；为开关管T的工作周期，口为开关管T的导通时间，由图1(b)的波形可知输出电压的平均值为久=*匕力=匕=匕(2)基于Multisim的Boost电路仿真研尤第#贞共7贞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
5、出电压。(a)Circuit2(4)-145.2-133m(Ax号OAVouwno308.220S.48.9-90.9-1907-05185.9m3S5.0m5S4.1a832m9S23nTime (S)(b)图1基本的直流变换电路和负载波形3升压变换电路的建模直流输岀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卩和
6、 输出负载电压为流过电感的电流为人。当T在出发信号作用下导通时，电路处于工作器件D承受反向电压而截止。一方而能量从直 流电源输入并存储到L中，电感电流从II线性增大到12 ；另一方面R由C提供能量。显然L中的感应 电动势与Ud相等。则有U广旦=凹(3)基于Multisim的Boost电路仿真研尤第#贞共7贞图2 Boost电路仿真模当T被控制信号关型电路处于I明工作期间，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厶线性减小到人，由于L上的电压等于 因此可得UU严 LUq-u严”0 =塔其中D为占空比，当D二0
7、时U. = Ud ,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岀电流和负载电流的关系为变换器的开关周期为7；,人，m+tr 唧。-匕严（1（），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或者提髙频率的方法。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il二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,从而稳泄输出电压在实际设计电路时电感L电容C开关频率f值的确左比较困
8、难。 利用Multisiml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二50V, R二50C, 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左。分别讨 论f和L的取值对输出变压波形的影响。1 )电感对输岀电压波形的影响分别取厶二50mH, L产500mH,f二100Hz,利用虚拟示波器观察其仿真的输出电压波形Circuit 13000-3000251%503 5m755.3m10Timc(S)o Q o Q o ;400-200 feQ宜 _(
9、5 VIWUUC-U600Channel B vgrdgAv(a)Circuit 120001000 0 -100.0 -2000Time 300.0200.0m400.(ta600.0mSOO.CtoQhunnc】 O4020W.O0-20.0-400(b)Circuit 1(Arm三 nAVp 三昱o-300.03000 200.0-100.0-0- -100.0 -ISO Ok 100.0k -50.0k 0 -50.0k-200 0-100.0k1000m2000m00 0m400.0mm0k500.0mTime Circuit 1ChannIB V2klgtvu6(d)图3电感取厶，
10、厶时的负载电压波形如图3所示，苴中图3(a)3(c)分别为电感为厶时的负载电压波形与电路进入稳态后的一段电压波形图。3 (b) 3(d)为电感为L2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)比较可以看岀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时输岀电压不到98叽2)开关频率对
11、输出电压波形的影响取L二50mH, f二1000Hz，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。从图中可以看岀，适当增大频率后，负载输岀电压波形稳左脉动极小, 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.諏.0600 0(AQ詈 vlo三 mJCu100 OkTime (S)1000m200.0m300 0m400 0m05OT0mCircuit!okok-100-200500 Ok-300.0k(Ihunn
12、c-(a)SOO.Ok.ok15 J (曹OA VI一i 庁2OO.Gk 100.0k0 -100.0k-200.0k-1 51c653.2m7532m加笳3.2mItTime(S)300.0k12(b)图4 f二1000Hz负载电压波形通过以上分析可以看岀，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 与输岀电压的稳泄度，确泄该模型的最佳参数为：电感L=50mH开关频率f二1kHz。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卉。利用MultisimlO. 0进行 Boost电路
13、的仿貞设计，避开繁琐的数学推导过程，用其自带的虚拟仪器测试的仿頁波形几乎与上万元 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11麼冬初，聂汉平.电力电子技术M武汉:华中科技大学岀版社,2007. 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. 王辉，程坦.直流斩波电路的Matlab仿真研究J.现代电子技术,2009：174-175.4 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
14、设计指导，高等教育岀版社，2002, 03.6 C liaw, F J Lin, Y S Kung, 4kDesign and implementation of a high performance induction motor servo drive, IEEE Proceedings-B Vol. 140, No. 4, pp. 241 一2487 Van Aalkenburg, MENetwork Analysis Prentce-Hall, Inc, 19748 Kuo, B C 1975 Automatic Control Systems .New York:Prentice-H
15、all, Inc9 Jacquot, R G 1981. Modern Digital Control SystemsMarcel: Dekker IncSimulation and Research of the Boost Circuit Based on MultisimAbstract: This thesis mainly introduces the basic principle of DC transformation and structure of the Boost circuit The simulation model of the Boost circuit was
