基于PSIM的Buck變換器設計與仿真

宋沛　羅瓊　黎芳　承江紅

摘要：在開關電源的設計過程中，DC-DC 變換器的建模和仿真是至關重要的一環。本文以基本的Buck變換器為研究對象，針對開環和電感電流連續模式下，根據輸入輸出和紋波要求，分析設計出合適的電感和電容，并在PSIM中進行了仿真，驗證了理論分析的正確性，達到了設計要求。之后，本文對負載變化，使系統進入電感電流斷續模式的臨界值進行了計算，也進行了PSIM仿真驗證。從所做工作，可以看出，PSIM仿真，簡單易行，為進一步的閉環設計奠定基礎。

關鍵詞：Buck變換器；CCM；DCM；仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0134-03

近年來，隨著計算機軟硬件技術的飛速發展，計算機仿真技術在電力電子領域得到了廣泛應用，改善了電力電子產品的性能，縮短了產品的設計周期。目前應用較多的電力電子線路仿真軟件有Cadence/OrCAD/PSpice，PSIM，Saber等。Matlab也提供了電力系統模塊庫PowerSystem Blocksets。其中，PSIM以理想化的元件模型建模，同時提供了功率級電路和控制電路中的常用元件模型，采用較為簡單的梯形法求解系統方程，仿真速度快并可在一定程度上兼顧線路與系統層面的仿真需求[1]。

在DC-DC變換器設計中，經常會用到電路仿真軟件對設計電路進行仿真，指導電路參數設計，同時在電路調試過程中，利用仿真軟件進一步對電路各參數驗證優化。下面以Buck變換器的設計為例，使用PSIM仿真，驗證設計理論和仿真的一致性。

1 Buck變換器的工作原理

Buck變換器的電路原理圖如圖1。該電路由直流電源Vin、可控開關管T、續流二極管D、濾波電感L、濾波電容C和負載電阻R組成。其中可控開關管可以是絕緣雙極型晶體管IGBT，也可以是電力場效應晶體管Power MOSFET。

我們研究的Buck變換器開關控制采用PWM方式，根據電感電流是否連續，Buck變換器工作模式分為兩種，一種是連續模式（CCM），一種是斷續模式（DCM）。

在CCM模式下，在一個周期Ts中，系統有兩種狀態：一是開關管T導通（如圖2所示），續流二極管D斷開，直流電源Vin向電感L和電容提供電能，并向負載供電，持續時間為Ton；另一個狀態是開關T斷開（如圖3所示），續流二極管D導通，電感L電容C同時向負載R供電，持續時間為Toff。Ts=Ton+Toff。下一周期，又重復上面這兩個過程。

在DCM模式下，在一個周期Ts中，共有三個狀態，開關管T導通狀態（Ton），開關管T斷開狀態外（Toff），和電感電流為零的狀態[2]。

2 Buck變換器的設計

現設計一個Buck變換器，其直流電源Vin=20V，負載電阻RL=0.074，輸出電壓Vo=8V，開關頻率fs=10khz，輸出電流紋波不大于10%，輸出電壓紋波不大于1%。設計合適的電感和電容的值（假設電感L，電容C，續流二極管D，都是理想器件，不考慮他們的寄生電阻），將設計要求列表見表1。

2.1 CCM模式Buck變換器設計

2.1.1 由電感電流的波動設計電感值

首先，工作在CCM模式下，在開關管導通期間，電感兩端的電壓為Vin-Vo，當在開關管斷開期間，電感兩端的電壓為-Vo，在整個周期中電感的平均電壓為零。

2.1.2 由輸出電壓的波動設計電容值

假設電感電流的平均成分流過負載，而波動成分流過電容。根據，可得。而等于圖5中陰影部分的面積，即，則：

2.2 負載改變使Buck變換器進入DCM模式對輸出電壓和輸出電流的影響

2.1設計的Buck變換器除負載外，其他參數不變，使系統進入DCM模式，該臨界值的計算如下。

如圖6所示，開關管導通時間為DTs，開關管斷開且電感電流不為零的時間為，開關管斷開且電感電流為零的時間為，。

假設由于負載的改變使Buck變換器進入斷續模式，可以計算出出現DCM模式的臨界負載RL的值。由于系統其他參數沒變，電感電流紋波保持不變，仍然是，只不過，在快進入DCM模式的臨界狀態，輸出平均電流。由此我們可以算出負載。即其他參數不變，如果負載小于1.48Ω，Buck變換器工作在CCM模式，如果負載大于1.48Ω，系統將進入DCM模式[3]。

3 PSIM的仿真驗證

使用PSIM仿真，圖7是仿真圖[4]。

3.1 CCM模式仿真結果

圖8和圖9顯示的是按表1設計的Buck變換器，它的輸出電壓和電感電流的輸出波形及其平均值。從圖9中可以看出，該變換器工作在CCM模式下。從圖8可以看出，輸出電壓的平均值與設計要求相符。

3.2 DCM模式仿真結果

圖10和圖11顯示的是按照表1的要求設計的電路（電感和電容值不變），而負載變為3Ω，從圖11中可以看出，變換器進入了DCM模式，理論計算的輸出電壓和電感電流平均值與PSIM仿真結果非常接近，說明我們的理論分析是正確的。

4 結語

本文按要求設計了一個開環Buck變換器，并使用PSIM進行了仿真，驗證了理論分析設計的正確性，并對負載變化引起的從CCM模式變化到DCM模式進行了理論分析和仿真，再次印證了理論的正確性，為進一步設計控制系統奠定了基礎。

參考文獻

[1]皇金鋒.基于PSIM的Boost型變換器儲能元件參數選擇[J].電源技術，2011，35（09）：1136-1139.

[2]張占松，蔡宣三.開關電源的原理和設計[M].北京：電子工業出版社，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]國偉，王立華.基于PSIM的開關電源仿真設計[J].通信電源技術，2013，30（05）：13-15+41.

[5]楊澤軒，鄭建立.基于MATLAB的BUCK電路設計與PID閉環仿真[J].信息技術，2015，（10）：155-158+163.