DC/DC 變換電路的仿真研究

孫熙晨

（中共山東省委機關(guān)政務(wù)保障中心，山東濟南，250004）

0 引言

直流變直流電路(DC-DC Converter)，也叫斬波電路(DC Chopper)。能將一種直流電源變換成另一種具有不同輸出特性的直流電源的電路，是開關(guān)電源的核心。跟交交變換一樣，直流變直流也分為直接直流變流電路和間接直流變流電路。其中，Buck 電路和Boost 電路是DC-DC 變換器最基本的兩種拓撲形式。DC-DC 變換器的主要功能是變換直流電壓等級，隔離變壓器則根據(jù)實際情況進行選取，其基本作用是輸入輸出之間的隔離，也可以進行變壓用。無論哪一種DC-DC 變換器，主回路使用的元器件都是功率半導(dǎo)體、電感、電容。目前使用的開關(guān)器件主要有MOSFET、IGBT 以及二極管等。電感和電容則是存儲和傳遞電能的元件。DC-DC 變換器的基本手段是通過控制開關(guān)器件的通斷，使帶有濾波器的負載和直流電源一會兒接通，一會兒斷開，從而在負載上得到另一個等級的電壓。其具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、電路形式多樣等優(yōu)點，在信息、航天、家電、軍事、交通等各個領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。

1 設(shè)計流程

為了直觀的顯示整個設(shè)計流程，畫出的流程圖如圖1 所示。

圖1 整體流程圖設(shè)計

2 Buck 電路

2.1 Buck 電路工作原理和理論推導(dǎo)

降壓電路（Buck 電路），顧名思義，就是將一個原本比較高的電壓轉(zhuǎn)換成電壓較低的電路，即輸出電壓小于等于輸入電壓的單管非隔離直流變換電路。電路使用全控型器件為MOSFET 管IRF540N,通過在電力MOSFET 管的控制端輸入控制信號以得到所需要的輸出電壓，實現(xiàn)降壓。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。

（1）當(dāng)MOSFET 導(dǎo)通時

當(dāng)開關(guān)管Q1 導(dǎo)通時，續(xù)流二極管反向偏置截止，電容開始充電，直流電壓源V1 通過電感L1 向負載傳遞能量。此時，電感電流iL線性增長，存儲的磁場能量也逐步增加。負載R 流過電流Oi，兩端輸出電壓UO上正下負。在一個開關(guān)周期sT內(nèi)開關(guān)管Q1 導(dǎo)通的時間為ton。這時電流流經(jīng)路徑如圖2 所示。

圖2 MOSFET 導(dǎo)通時電流流經(jīng)路徑

（2）當(dāng)MOSFET 關(guān)閉時

當(dāng)開關(guān)管Q1 關(guān)斷時，由于電感電流iL不能突變，所以iL通過二極管D1 續(xù)流，電感電流隨之逐漸減小，電感上的能量逐步消耗在負載上，iL降低，L1 上儲存的能量減小。電感電流減小時，電感兩端的電壓UL改變極性，二極管D 承受正向偏壓而導(dǎo)通，構(gòu)成了續(xù)流回路，負載R 兩端的電壓仍保持上正下負。當(dāng)iL＜io時，電容處于放電狀態(tài)以維持io和Uo不變。在一個周期Ts內(nèi)開關(guān)管Q1 關(guān)斷的時間為Ts?ton。此時電流流經(jīng)路徑如圖3 所示。

圖3 當(dāng)MOSFET 關(guān)閉時電流流經(jīng)路徑

在穩(wěn)態(tài)分析中，假定輸出端濾波電容很大，我們可以認為輸出電壓是平直的。同樣，由于穩(wěn)態(tài)時，電容的平均電流為零，是因為Buck 變換器中電感平均電流等于平均輸出電流Io。在連續(xù)導(dǎo)電模式下，電感電流不會減小到0，前一個周期結(jié)束時刻和下一個周期開始時刻電流是連續(xù)的。至一個周期結(jié)束，在驅(qū)動開關(guān)管MOSEFT 導(dǎo)通，重復(fù)上一個周期的過程，當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為：

輸出到負載的電壓平均值U。最大為E,減小占空比a，U。隨之減小因此將該電路稱為降壓斬波電路、也有很多文獻中直接使用其英文名稱，稱為buck 變換器(Buck Converter)。

根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)試的方式不同可分為三種工作方式:

(1)保持開關(guān)周期T 不變,調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間ton,稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM 調(diào)制)此種方式應(yīng)用最多。

(2)保持開關(guān)導(dǎo)通時間ton不變,改變開關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制。

(3)T 和ton都可調(diào)，改變占空比稱為混合型。

2.2 主要器件的選擇

主電路中電源選擇的是24V，降壓后的電壓為12V，電感及電阻的參數(shù)由設(shè)計要求給定確定，而根據(jù)設(shè)計可知電源為24V，所以可選擇MOSFET 管的型號是IRF540N。同樣對于二極管可選擇BYD77D，電感值為100Hμ，電容值為220Fμ，電阻值為100 ?。

2.3 控制電路方案選擇

MOSFET 控制電路的功能:有給變流器的電子開關(guān)提供控制信號,以及對保護信號作出反應(yīng)，關(guān)閉控制信號。這里使用信號發(fā)生器直接產(chǎn)生PWM 波進行驅(qū)動，在Multisim 中可以設(shè)置占空比的具體數(shù)值，這里我們設(shè)置頻率為30kHz 占空比為50%。

2.4 Multisim 的波形仿真與分析

我們使用Multisim 進行仿真設(shè)計，在電路末端設(shè)置電壓表采集電壓，電流表采集電流，并設(shè)置示波器顯示Buck 電路降壓后的波形，波形如圖4 所示。

圖4 Buck 電路波形顯示

由圖可知，我們設(shè)置的時基標(biāo)度是1ms/Div，即一格是1ms，通道A 的刻度為10V/Div，即一格是10V，Buck 電路的輸出電壓先升高再降低最終在4.8ms 的時候穩(wěn)定,使用通道A 展示電路穩(wěn)定電壓為11.768V。

此時電壓表和電流表的顯示為：電壓表顯示的電壓值為11.8V，電流表顯示的電流值為398mA，和圖3-5 顯示的輸出波形相一致，電壓表和電流表的數(shù)值是正確的，另外也符合了輸出電壓為12V,誤差不超過5%的設(shè)計要求。

3 Cuk 電路的設(shè)計

3.1 Cuk 電路的工作原理

Cuk 電路是直流升降壓斬波電路的一種，是把電源電壓在不等的占空比控制下轉(zhuǎn)換成電壓可升也可降的電路，先其在Multisim 中畫出電路圖。

主要元件包括24V 直流電源、開關(guān)管Q2、儲能電感L2、快恢復(fù)二極管D2 等，負載R2 為電阻性負載，電容C3 主要用于維持輸出電壓并向負載供電。V4 為函數(shù)發(fā)生器，主要用于產(chǎn)生PWM 控制信號，另外電路中設(shè)置了電壓表和示波器來測量電壓輸出平均值和輸出波形。為了便于分析我們采用連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)進行分析。

（1）開關(guān)管Q2 導(dǎo)通時

圖中當(dāng)開關(guān)管Q2 處于開通狀態(tài)時，直流電源V3 經(jīng)過開關(guān)管Q2 向2L 供電并存儲能量，此時電容C2 向負載R 供電，C3 穩(wěn)壓電容是用于穩(wěn)壓。此時電流流經(jīng)路徑為E-L-Q2 回路和R-L3-C2-Q2 回路，如圖5 所示。

（2）當(dāng)開關(guān)管Q2 關(guān)閉時

當(dāng)開關(guān)管Q2 關(guān)斷時，電感L2 中的能量向負載釋放，并且此時負載電壓方向為下正上負，可以看出Cuk 輸出電壓和電源輸人電壓極性相反，故本電路中示波器和電壓表極性也為下正上負以和負載電壓極性匹配。此時電流流經(jīng)路徑E-L2-C2-D2 回路和D2-R2-L3 回路，如圖6 所示。

圖6 開關(guān)管Q2 關(guān)閉時電流流經(jīng)路徑

由于電路處于穩(wěn)態(tài)時電感L 在一個周期T 中兩端電壓對時間的積分為零，在該電路中。穩(wěn)態(tài)時電容C 的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零。也就是其對時間的積分為零，即

由式可知，通過控制開關(guān)管的占空比，就可以控制Cuk電路的輸出電壓，與升降壓斬波電路相比，Cuk 斬波電路有個明顯的優(yōu)點，其輸電流都是連續(xù)的。沒有階躍變化，有利于對輸人、輸出進行濾波。

3.2 主要器件的選擇

主電路中電源選擇的是24V，降壓后的電壓為12V，電感及電阻的參數(shù)由設(shè)計要求給定確定，可選擇MOSFET 管的型號是IRF540N。同樣對于二極管可選擇BYD77D，電感 2L值為160Hμ，電感 3L值為160Hμ，電容C2值為220Fμ，電容3C值為220Fμ，電阻值為100 ?。

3.3 控制電路方案選擇

MOSFET 控制電路的功能:有給變流器的電子開關(guān)提供控制信號,以及對保護信號作出反應(yīng)，關(guān)閉控制信號，這里使用信號發(fā)生器直接產(chǎn)生PWM 波進行驅(qū)動，設(shè)置頻率為30kHz，由于為了和Buck 電路一致，使Cuk 電路工作在降壓狀態(tài)，即開關(guān)管的占空比小于50%，這里設(shè)置的占空比為33.3%。

3.4 Multisim 的波形仿真與分析

我們使用Multisim 進行仿真設(shè)計，在電路末端設(shè)置電壓表采集電壓，電流表采集電流，并設(shè)置示波器顯示Cuk 電路降壓后的波形，波形如圖7 所示。

圖7 Cuk 電路降壓后的波形

由圖可知，我們設(shè)置的時基標(biāo)度是1ms/Div，即一格是1ms，通道A 的刻度為20V/Div，即一格是20V，Buck 電路的輸出電壓先升高再降低最終在4.2ms 的時候穩(wěn)定,使用通道A 展示電路穩(wěn)定電壓數(shù)值大小為11.768V。

為了驗證Cuk 電路輸出電壓的值和電流的值是負值，使用電壓表和電流表進行顯示，電壓表顯示的電壓值為-12.2V，電流表顯示的電流值為-1.02mA，均是負數(shù)，和理論分析相吻合，電壓表和電流表的數(shù)值是正確的，另外也符合了輸出電壓為12V,誤差不超過5%的設(shè)計要求。

4 總結(jié)

本文首先畫出直流斬波電路（Buck 電路和Cuk 電路）的電路結(jié)構(gòu)和推到相應(yīng)工作原理，并利用Multisim 進行了電路的仿真。首先運Multisim 畫出Buck 電路和Cuk 電路的仿真原理圖，并設(shè)置了采集輸出電壓的電壓表和電流表和示波器，然后分別分析電力MOSFET 在導(dǎo)通和關(guān)閉時的電路工作狀態(tài)，電流流經(jīng)路徑，以此推導(dǎo)Buck 電路的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系和負載電流平均值，Cuk 電路的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系，其中α代表占空比，要實現(xiàn)降壓，Buck 電路的占空比調(diào)節(jié)范圍0～1 之間，Cuk 電路的占空比調(diào)節(jié)范圍0～50%。

然后使用畫出的原理圖進行仿真電路的工作波形，我們使用的是24V 的直流輸入電壓，想得到的是12 的直流輸出電壓，Buck 電路的占空比設(shè)置為50%，通過仿真結(jié)果分析得出Buck 電路的輸出電壓是11,768V，電流值為398mA，且和要求的誤差小于5%，符合設(shè)計要求。Cuk 電路的輸出為-12.2V，電流值為-1.02 mA，與分析的輸出電壓極性與輸出電壓極性相反，數(shù)值是正確的，且要求的誤差小于5%。通過調(diào)節(jié)Buck電路和Cuk 電路的占空比可以將輸入直流電壓斬波變換為輸出電壓不等的電壓值。