基于PSIM的Buck变换器设计与仿真

宋沛　罗琼　黎芳　承江红

摘要：在开关电源的设计过程中，DC-DC 变换器的建模和仿真是至关重要的一环。本文以基本的Buck变换器为研究对象，针对开环和电感电流连续模式下，根据输入输出和纹波要求，分析设计出合适的电感和电容，并在PSIM中进行了仿真，验证了理论分析的正确性，达到了设计要求。之后，本文对负载变化，使系统进入电感电流断续模式的临界值进行了计算，也进行了PSIM仿真验证。从所做工作，可以看出，PSIM仿真，简单易行，为进一步的闭环设计奠定基础。

关键词：Buck变换器；CCM；DCM；仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0134-03

近年来，随着计算机软硬件技术的飞速发展，计算机仿真技术在电力电子领域得到了广泛应用，改善了电力电子产品的性能，缩短了产品的设计周期。目前应用较多的电力电子线路仿真软件有Cadence/OrCAD/PSpice，PSIM，Saber等。Matlab也提供了电力系统模块库PowerSystem Blocksets。其中，PSIM以理想化的元件模型建模，同时提供了功率级电路和控制电路中的常用元件模型，采用较为简单的梯形法求解系统方程，仿真速度快并可在一定程度上兼顾线路与系统层面的仿真需求[1]。

在DC-DC变换器设计中，经常会用到电路仿真软件对设计电路进行仿真，指导电路参数设计，同时在电路调试过程中，利用仿真软件进一步对电路各参数验证优化。下面以Buck变换器的设计为例，使用PSIM仿真，验证设计理论和仿真的一致性。

1 Buck变换器的工作原理

Buck变换器的电路原理图如图1。该电路由直流电源Vin、可控开关管T、续流二极管D、滤波电感L、滤波电容C和负载电阻R组成。其中可控开关管可以是绝缘双极型晶体管IGBT，也可以是电力场效应晶体管Power MOSFET。

我们研究的Buck变换器开关控制采用PWM方式，根据电感电流是否连续，Buck变换器工作模式分为两种，一种是连续模式（CCM），一种是断续模式（DCM）。

在CCM模式下，在一个周期Ts中，系统有两种状态：一是开关管T导通（如图2所示），续流二极管D断开，直流电源Vin向电感L和电容提供电能，并向负载供电，持续时间为Ton；另一个状态是开关T断开（如图3所示），续流二极管D导通，电感L电容C同时向负载R供电，持续时间为Toff。Ts=Ton+Toff。下一周期，又重复上面这两个过程。

在DCM模式下，在一个周期Ts中，共有三个状态，开关管T导通状态（Ton），开关管T断开状态外（Toff），和电感电流为零的状态[2]。

2 Buck变换器的设计

现设计一个Buck变换器，其直流电源Vin=20V，负载电阻RL=0.074，输出电压Vo=8V，开关频率fs=10khz，输出电流纹波不大于10%，输出电压纹波不大于1%。设计合适的电感和电容的值（假设电感L，电容C，续流二极管D，都是理想器件，不考虑他们的寄生电阻），将设计要求列表见表1。

2.1 CCM模式Buck变换器设计

2.1.1 由电感电流的波动设计电感值

首先，工作在CCM模式下，在开关管导通期间，电感两端的电压为Vin-Vo，当在开关管断开期间，电感两端的电压为-Vo，在整个周期中电感的平均电压为零。

2.1.2 由输出电压的波动设计电容值

假设电感电流的平均成分流过负载，而波动成分流过电容。根据，可得。而等于图5中阴影部分的面积，即，则：

2.2 负载改变使Buck变换器进入DCM模式对输出电压和输出电流的影响

2.1设计的Buck变换器除负载外，其他参数不变，使系统进入DCM模式，该临界值的计算如下。

如图6所示，开关管导通时间为DTs，开关管断开且电感电流不为零的时间为，开关管断开且电感电流为零的时间为，。

假设由于负载的改变使Buck变换器进入断续模式，可以计算出出现DCM模式的临界负载RL的值。由于系统其他参数没变，电感电流纹波保持不变，仍然是，只不过，在快进入DCM模式的临界状态，输出平均电流。由此我们可以算出负载。即其他参数不变，如果负载小于1.48Ω，Buck变换器工作在CCM模式，如果负载大于1.48Ω，系统将进入DCM模式[3]。

3 PSIM的仿真验证

使用PSIM仿真，图7是仿真图[4]。

3.1 CCM模式仿真结果

图8和图9显示的是按表1设计的Buck变换器，它的输出电压和电感电流的输出波形及其平均值。从图9中可以看出，该变换器工作在CCM模式下。从图8可以看出，输出电压的平均值与设计要求相符。

3.2 DCM模式仿真结果

图10和图11显示的是按照表1的要求设计的电路（电感和电容值不变），而负载变为3Ω，从图11中可以看出，变换器进入了DCM模式，理论计算的输出电压和电感电流平均值与PSIM仿真结果非常接近，说明我们的理论分析是正确的。

4 结语

本文按要求设计了一个开环Buck变换器，并使用PSIM进行了仿真，验证了理论分析设计的正确性，并对负载变化引起的从CCM模式变化到DCM模式进行了理论分析和仿真，再次印证了理论的正确性，为进一步设计控制系统奠定了基础。

参考文献

[1]皇金锋.基于PSIM的Boost型变换器储能元件参数选择[J].电源技术，2011，35（09）：1136-1139.

[2]張占松，蔡宣三.开关电源的原理和设计[M].北京：电子工业出版社，1999：16-24.

[3]HUA Jianjun，SHEN Yanxia，JI Zhicheng. Modeling and simulationof the DC-DC converter based on discontinuous mode[J].Electric Machines and Control，2007，11（5）：522-527.

[4]国伟，王立华.基于PSIM的开关电源仿真设计[J].通信电源技术，2013，30（05）：13-15+41.

[5]杨泽轩，郑建立.基于MATLAB的BUCK电路设计与PID闭环仿真[J].信息技术，2015，（10）：155-158+163.