DC/DC 变换电路的仿真研究

孙熙晨

（中共山东省委机关政务保障中心，山东济南，250004）

0 引言

直流变直流电路(DC-DC Converter)，也叫斩波电路(DC Chopper)。能将一种直流电源变换成另一种具有不同输出特性的直流电源的电路，是开关电源的核心。跟交交变换一样，直流变直流也分为直接直流变流电路和间接直流变流电路。其中，Buck 电路和Boost 电路是DC-DC 变换器最基本的两种拓扑形式。DC-DC 变换器的主要功能是变换直流电压等级，隔离变压器则根据实际情况进行选取，其基本作用是输入输出之间的隔离，也可以进行变压用。无论哪一种DC-DC 变换器，主回路使用的元器件都是功率半导体、电感、电容。目前使用的开关器件主要有MOSFET、IGBT 以及二极管等。电感和电容则是存储和传递电能的元件。DC-DC 变换器的基本手段是通过控制开关器件的通断，使带有滤波器的负载和直流电源一会儿接通，一会儿断开，从而在负载上得到另一个等级的电压。其具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、电路形式多样等优点，在信息、航天、家电、军事、交通等各个领域得到普遍应用。

1 设计流程

为了直观的显示整个设计流程，画出的流程图如图1 所示。

图1 整体流程图设计

2 Buck 电路

2.1 Buck 电路工作原理和理论推导

降压电路（Buck 电路），顾名思义，就是将一个原本比较高的电压转换成电压较低的电路，即输出电压小于等于输入电压的单管非隔离直流变换电路。电路使用全控型器件为MOSFET 管IRF540N,通过在电力MOSFET 管的控制端输入控制信号以得到所需要的输出电压，实现降压。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。

（1）当MOSFET 导通时

当开关管Q1 导通时，续流二极管反向偏置截止，电容开始充电，直流电压源V1 通过电感L1 向负载传递能量。此时，电感电流iL线性增长，存储的磁场能量也逐步增加。负载R 流过电流Oi，两端输出电压UO上正下负。在一个开关周期sT内开关管Q1 导通的时间为ton。这时电流流经路径如图2 所示。

图2 MOSFET 导通时电流流经路径

（2）当MOSFET 关闭时

当开关管Q1 关断时，由于电感电流iL不能突变，所以iL通过二极管D1 续流，电感电流随之逐渐减小，电感上的能量逐步消耗在负载上，iL降低，L1 上储存的能量减小。电感电流减小时，电感两端的电压UL改变极性，二极管D 承受正向偏压而导通，构成了续流回路，负载R 两端的电压仍保持上正下负。当iL＜io时，电容处于放电状态以维持io和Uo不变。在一个周期Ts内开关管Q1 关断的时间为Ts−ton。此时电流流经路径如图3 所示。

图3 当MOSFET 关闭时电流流经路径

在稳态分析中，假定输出端滤波电容很大，我们可以认为输出电压是平直的。同样，由于稳态时，电容的平均电流为零，是因为Buck 变换器中电感平均电流等于平均输出电流Io。在连续导电模式下，电感电流不会减小到0，前一个周期结束时刻和下一个周期开始时刻电流是连续的。至一个周期结束，在驱动开关管MOSEFT 导通，重复上一个周期的过程，当电路处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为：

输出到负载的电压平均值U。最大为E,减小占空比a，U。随之减小因此将该电路称为降压斩波电路、也有很多文献中直接使用其英文名称，称为buck 变换器(Buck Converter)。

根据对输出电压平均值进行调试的方式不同可分为三种工作方式:

(1)保持开关周期T 不变,调节开关导通时间ton,称为脉冲宽度调制(PWM 调制)此种方式应用最多。

(2)保持开关导通时间ton不变,改变开关周期T,称为频率调制。

(3)T 和ton都可调，改变占空比称为混合型。

2.2 主要器件的选择

主电路中电源选择的是24V，降压后的电压为12V，电感及电阻的参数由设计要求给定确定，而根据设计可知电源为24V，所以可选择MOSFET 管的型号是IRF540N。同样对于二极管可选择BYD77D，电感值为100Hµ，电容值为220Fµ，电阻值为100 Ω。

2.3 控制电路方案选择

MOSFET 控制电路的功能:有给变流器的电子开关提供控制信号,以及对保护信号作出反应，关闭控制信号。这里使用信号发生器直接产生PWM 波进行驱动，在Multisim 中可以设置占空比的具体数值，这里我们设置频率为30kHz 占空比为50%。

2.4 Multisim 的波形仿真与分析

我们使用Multisim 进行仿真设计，在电路末端设置电压表采集电压，电流表采集电流，并设置示波器显示Buck 电路降压后的波形，波形如图4 所示。

图4 Buck 电路波形显示

由图可知，我们设置的时基标度是1ms/Div，即一格是1ms，通道A 的刻度为10V/Div，即一格是10V，Buck 电路的输出电压先升高再降低最终在4.8ms 的时候稳定,使用通道A 展示电路稳定电压为11.768V。

此时电压表和电流表的显示为：电压表显示的电压值为11.8V，电流表显示的电流值为398mA，和图3-5 显示的输出波形相一致，电压表和电流表的数值是正确的，另外也符合了输出电压为12V,误差不超过5%的设计要求。

3 Cuk 电路的设计

3.1 Cuk 电路的工作原理

Cuk 电路是直流升降压斩波电路的一种，是把电源电压在不等的占空比控制下转换成电压可升也可降的电路，先其在Multisim 中画出电路图。

主要元件包括24V 直流电源、开关管Q2、储能电感L2、快恢复二极管D2 等，负载R2 为电阻性负载，电容C3 主要用于维持输出电压并向负载供电。V4 为函数发生器，主要用于产生PWM 控制信号，另外电路中设置了电压表和示波器来测量电压输出平均值和输出波形。为了便于分析我们采用连续导电模式(CCM)进行分析。

（1）开关管Q2 导通时

图中当开关管Q2 处于开通状态时，直流电源V3 经过开关管Q2 向2L 供电并存储能量，此时电容C2 向负载R 供电，C3 稳压电容是用于稳压。此时电流流经路径为E-L-Q2 回路和R-L3-C2-Q2 回路，如图5 所示。

（2）当开关管Q2 关闭时

当开关管Q2 关断时，电感L2 中的能量向负载释放，并且此时负载电压方向为下正上负，可以看出Cuk 输出电压和电源输人电压极性相反，故本电路中示波器和电压表极性也为下正上负以和负载电压极性匹配。此时电流流经路径E-L2-C2-D2 回路和D2-R2-L3 回路，如图6 所示。

图6 开关管Q2 关闭时电流流经路径

由于电路处于稳态时电感L 在一个周期T 中两端电压对时间的积分为零，在该电路中。稳态时电容C 的电流在一周期内的平均值应为零。也就是其对时间的积分为零，即

由式可知，通过控制开关管的占空比，就可以控制Cuk电路的输出电压，与升降压斩波电路相比，Cuk 斩波电路有个明显的优点，其输电流都是连续的。没有阶跃变化，有利于对输人、输出进行滤波。

3.2 主要器件的选择

主电路中电源选择的是24V，降压后的电压为12V，电感及电阻的参数由设计要求给定确定，可选择MOSFET 管的型号是IRF540N。同样对于二极管可选择BYD77D，电感 2L值为160Hµ，电感 3L值为160Hµ，电容C2值为220Fµ，电容3C值为220Fµ，电阻值为100 Ω。

3.3 控制电路方案选择

MOSFET 控制电路的功能:有给变流器的电子开关提供控制信号,以及对保护信号作出反应，关闭控制信号，这里使用信号发生器直接产生PWM 波进行驱动，设置频率为30kHz，由于为了和Buck 电路一致，使Cuk 电路工作在降压状态，即开关管的占空比小于50%，这里设置的占空比为33.3%。

3.4 Multisim 的波形仿真与分析

我们使用Multisim 进行仿真设计，在电路末端设置电压表采集电压，电流表采集电流，并设置示波器显示Cuk 电路降压后的波形，波形如图7 所示。

图7 Cuk 电路降压后的波形

由图可知，我们设置的时基标度是1ms/Div，即一格是1ms，通道A 的刻度为20V/Div，即一格是20V，Buck 电路的输出电压先升高再降低最终在4.2ms 的时候稳定,使用通道A 展示电路稳定电压数值大小为11.768V。

为了验证Cuk 电路输出电压的值和电流的值是负值，使用电压表和电流表进行显示，电压表显示的电压值为-12.2V，电流表显示的电流值为-1.02mA，均是负数，和理论分析相吻合，电压表和电流表的数值是正确的，另外也符合了输出电压为12V,误差不超过5%的设计要求。

4 总结

本文首先画出直流斩波电路（Buck 电路和Cuk 电路）的电路结构和推到相应工作原理，并利用Multisim 进行了电路的仿真。首先运Multisim 画出Buck 电路和Cuk 电路的仿真原理图，并设置了采集输出电压的电压表和电流表和示波器，然后分别分析电力MOSFET 在导通和关闭时的电路工作状态，电流流经路径，以此推导Buck 电路的输入电压与输出电压关系和负载电流平均值，Cuk 电路的输入电压与输出电压关系，其中α代表占空比，要实现降压，Buck 电路的占空比调节范围0～1 之间，Cuk 电路的占空比调节范围0～50%。

然后使用画出的原理图进行仿真电路的工作波形，我们使用的是24V 的直流输入电压，想得到的是12 的直流输出电压，Buck 电路的占空比设置为50%，通过仿真结果分析得出Buck 电路的输出电压是11,768V，电流值为398mA，且和要求的误差小于5%，符合设计要求。Cuk 电路的输出为-12.2V，电流值为-1.02 mA，与分析的输出电压极性与输出电压极性相反，数值是正确的，且要求的误差小于5%。通过调节Buck电路和Cuk 电路的占空比可以将输入直流电压斩波变换为输出电压不等的电压值。