关于高压开关电源仿真技术的设计
基于PSpice的升压型开关稳压电源设计和仿真
基于PSpice的升压型开关稳压电源设计与仿真20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。
在半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代由传统技术设计制造的连续工作的线性电源，并广泛用于电子、电气设备中。
20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成了计算机的电源换代。
20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备以及家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。
Cadence旗下的PSpice是一款电路仿真软件，能够对复杂的模数混合电路进行仿真，而且开关电源也不例外。
1升压变换器拓扑结构升压变换器属于间接能量传输变换器。
供电过程包含能量的存储和释放两方面。
如图1所示，Vclock是脉冲信号源，提供PWM电压，用以功率开关S1的导通与截止。
Rsense为电流取样电阻，Resr为电容的等效串联电阻。
在开关S1导通期间，二极管D1截止，电感储存能量，输出电容单独为负载提供电能。
在开关S1断开期间，二极管D1导通，储存了能量的电感与输入电源串联，为输出提供电能，其中一部分转移到电容C1里。
1.1工作于CCM条件下的升压变换器波形对图1所示电路，借助PSpice进行仿真，获得如图2所示的波形图。
这是典型的电感电流连续导通模式（CCM）。
图1基础升压变压器结构电路图2工作于CCM条件下的Boost变换器波形曲线①代表PWM波形，用于触发功率开关导通或断开。
当开关S1导通时，公共点SW/D电压几乎降到0.相反，当开关S1断开时，公共点SW/D电压增加为输出电压和二极管的正向压降之和，如曲线②所示。
曲线③描述了电感两端电压的变化。
高电平期间，电感左侧电压为Vin,右侧几乎为0,对应功率开关导通；而低电平期间，电感左侧电压仍为Vin,而右侧突变为Vout,因为功率开关截止，同时二极管导通，此时对应电感电压为负值，这就意味着输出电压大于输入电压。
基于multisim开关电源的仿真设计
2.课题的来源及现状
2.1课题来源
本课题来源于科研，随着电力电子技术的发展，开关电源的研发越 来越被人们重视，在技术方面也有了更为深入的发展，这就要求我们及 时、准确地把握开关电源的相关知识和发展动向。
= 10A*(1-5V/10V”(100KHZ*30mV) =1667uF
故选取4个470 uF并联。
对输出和输入滤波电容主要关心的是流过这些电容的纹波电流。在这种
情况下纹波电流与电感上电流的交流分量是相同的。
7.闭环控制电路设计
功率开关损耗：(55.56W-50W)*0.5=2.78W
续流二极管损耗：(55.56W-50W)*0.5=2.78W
3•输入平均电流
输入平均电流：55.56W/10V =5.56A
估计峰值电流：10A*(100%+10%)=11A
4•滤波电感的设计(参数扫描法)
设计滤波电感应根据输出电压、输出电流和开关频率，并应首先选 定允许的电感电流最大纹波值。然后计算设计工作电感：
滤波电路设计（滤波电感设计和滤波电容的确定），开关器件及二极管的 设计，控制电路的设计等等。具体设计路线如下：
1•技术指标
输入电压：DC +10V
输出电压：DC +5V
最大输出电流：10A
输出电压纹波峰峰值：+30mV
输出精度：1%
2•“黑箱”预先估计
输出功率：5V*10A=50W(max)
输入功率：Pout/Nest= 50W/0.90=55.56W
4.设计方案及技术路线5
开关电源的设计与仿真
开关电源的设计与仿真第⼀章绪论1.1 开关电源的基本概念开关电源⼴泛⽤于⽣活、⽣产、科研、军事等各个领域。
彩⾊电视机、VCD 播放机等家⽤电器、医⽤X光机、CT机，各种计算机设备，⼯业⽤的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫星、导弹、舰船中，都⼤量采⽤了开关电源。
开关电源是利⽤现代电⼒电⼦技术，控制开关管开通和关断的时间⽐率，维持稳定输出电压的⼀种电源，开关电源⼀般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC 和MOSFET构成。
开关电源和线性电源相⽐，⼆者的成本都随着输出功率的增加⽽增长，但⼆者增长速率各异。
线性电源成本在某⼀输出功率点上，反⽽⾼于开关电源，这⼀点称为成本反转点。
随着电⼒电⼦技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这⼀成本反转点⽇益向低输出电⼒端移动，这为开关电源提供了⼴阔的发展空间。
开关电源⾼频化是其发展的⽅向，⾼频化使开关电源⼩型化，并使开关电源进⼊更⼴泛的应⽤领域，特别是在⾼新技术领域的应⽤，推动了⾼新技术产品的⼩型化、轻便化。
另外开关电源的发展与应⽤在节约能源、节约资源及保护环境⽅⾯都具有重要的意义。
顾名思义，开关电源的核⼼为电⼒电⼦开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利⽤反馈控制电路，采⽤占空⽐控制⽅法，对开关电路进⾏控制。
开关电源的这⼀技术特点使其同其他形式的电源，如采⽤调整管的线性电源和采⽤晶闸管的相控电源相⽐具有明显的优点。
1.2 开关电源的发展及⽅向开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率⾼、稳压范围宽、功率密度⽐⼤、重量轻等优点，从⽽取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着⾼频⼩型化、⾼效率、⾼可靠性的⽅向发展。
计算机控制、计算机通信和计算机⽹络技术的快速发展，为通信电源监控系统的发展和完善提供了外部条件，使其发展逐步实现少⼈值守，直⾄⽆⼈值守。
1.3 开关电源的分类开关电源有多种分类。
CAE仿真技术在高低压开关设计中的应用
CAE仿真技术在高低压开关设计中的应用简介✓脱扣系统的电磁特性分析✓触头系统的电磁特性分析✓灭弧室的电磁特性分析高低压开关中的电磁特性决定了开关的响应，效率和能耗特性。
ANSYS Multiphysics软件可以帮助用户分析零部件的磁通量、磁导率、电磁力等电磁特性，为产品优化提供依据和指导。
✓开关设备重要部件的散热分析✓组合型开关柜的散热分析开关设备都有电流通过，比如断路器等元件有瞬间大电流出现，是较大的热源，合理地设计散热结构有助于提高产品性能和使用寿命，同时各种开关元件以开关柜的形式出现，多种开关元件组装在一个柜体，形成具备控制、测量、信号、保护、调节等功能的组合型设备，包括电气元件、机械构件、电子设备等，热管理成为开关柜设计的重要方面。
高低压开关的灭弧问题高低压开关的散热问题高低压开关的电磁特性问题高低压开关结构复杂，机构运动精度要求高，涉及电磁、温度和力等载荷，在研发过程中需要考虑电磁场问题、机构运动问题、散热问题、多场耦合问题、结构强度和疲劳问题等。
现代CAE技术实现了对高低压开关静态和动态特性的仿真，为高低压开关产品的优化和设计提供了理论验证和方向指导。
下文是CAE仿真技术在解决高低压开关研发过程中部分常见工程问题的简要介绍：✓开关设备吹气室分析✓开关设备灭弧过程分析高低压开关中的灭弧室设计非常关键，直接关系到开关设备的性能。
ANSYS CFD可以模拟气吹式断路器气吹机构内流动情况，灭火室内吹弧过程等，为开关设备性能优化提供依据。
✓执行机构闭合、断开过程分析✓执行机构关键位置载荷变化✓闭合过程弹跳特性分析高低压开关的机构的运动特性绝对了开关能否开与关的功能。
ANSYS Rigid Dynamics软件能够进行机构的运动学分析，有助于全面了解机构的运动特征，响应情况和状态变化，从而达到机构的优化设计。
✓高低压开关机构运动时各零部件的强度、刚度分析✓电磁力作用下各零部件的强度、刚度分析✓开关插拔力分析✓高低压开关装配应力分析各零部件强度和刚度问题是高低压开关最基本的性能。
开关电源的设计与仿真
开关电源的设计与仿真开关电源是一种常用的电源设计方案，它能够将输入电压转换成稳定的输出电压，并具有高效率、小体积和轻负载能力强等特点。
下面将介绍开关电源的设计原理和仿真方法。
首先，选择合适的拓扑结构对于开关电源的设计至关重要。
常见的拓扑结构有：Boost、Buck、Buck-Boost、Cuk等。
不同的拓扑结构适用于不同的输入输出电压范围和应用场景。
例如，Buck拓扑适用于输出电压小于输入电压的场合，Boost拓扑适用于输出电压大于输入电压的场合，Buck-Boost拓扑适用于输出电压可大可小的场合。
其次，控制策略对于开关电源的性能也起到了至关重要的作用。
常见的控制策略有：固定频率PWM（脉宽调制）控制、变频PWM控制和电流模式控制等。
不同的控制策略对于输出电压的稳定性、负载能力和效率等方面的影响不同。
因此，在设计开关电源时需要根据具体的要求选择合适的控制策略。
电路仿真是对开关电源的基本电路进行模拟和分析。
在电路仿真中，可以使用专业的电路仿真软件如SPICE进行建模和仿真。
通过调整参数和信号输入，可以模拟不同负载、不同工况下开关电源的工作情况，并获取电路的输出特性、电压波形等信息。
这样可以及时发现设计缺陷和改进方向。
系统仿真是对整个开关电源系统进行建模和仿真。
开关电源系统包括开关电源核心电路、控制电路以及反馈电路等。
系统仿真能够模拟复杂的工作环境和系统交互，并综合考虑开关电源的输入输出特性、稳定性和效率等。
通过系统仿真，可以评估和优化整个开关电源系统的性能。
综上所述，开关电源的设计与仿真是一个相互依赖、相辅相成的过程。
设计者需要根据实际需求选择合适的拓扑结构和控制策略，并进行电路仿真和系统仿真来验证设计方案的正确性和性能指标。
通过不断的调整和优化，最终可以得到稳定高效的开关电源设计方案。
大功率开关电源硬件电路设计及仿真
大功率开关电源硬件电路设计及仿真摘要开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
通过了解、比较电压控制型和电流控制型PWM控制芯片的控制模式，针对宽输入，多路输出的设计要求，设计出了基于电流控制型PWM控制芯片UC3846、UC3842的两级变换器的组合式开关电源。
第一级采用buck变换，二级采用半桥推挽式变换器。
并对buck变换器进行建模，在MATLAB上进行仿真验证。
关键词：电流脉宽调制；降压式；推挽式；多路输出HP Switching Power Supply circuit design and simulationAbstractSwitching power supply is the use of modern power electronic technology, opening of control switch transistor turn-off time and the ratio of the output voltage to maintain a stable power supply .High-frequency switching power supply is the direction of its development, high-frequency switching power of miniaturization, and switching power supply to enter a wider range of application areas, especially in the high-tech fields, and promote the miniaturization of high-tech products, light of.Based on topology and control a variety of technical maturity, electrical performance, as well as comparative indicators of cost, through the understanding, comparison and current-controlled voltage-controlled PWM control mode to control chip for wide-input, multi-channel output of the design requirements designed based on the current-controlled PWM control chip UC3846, UC3842 levels of the modular converter switching power supply. Buck the introduction of the first transformation, the use of two push-pull half-bridge converter. The buck converter small-signal modeling, carried out in the MATLAB simulation.Key word：Current PWM；Buck ；Push-pull ；Multi-output目录摘要...................................................... ..I Abstract ................................................... I I 主要符号表................................................ i ii 1 绪论.. (1)1.1 前言 (1)1.2国内外电源技术发展概况 (1)1.3 选题背景 (2)1.4 本课题要求及主要研究内容..................................... .. 22 系统的整体方案分析选择 (4)2.1 组合式开关电源的结构 (4)2.2 组合式开关电源的原理分析 (4)2.2.1 斩波器电路 (5)2.2.2 推挽式变换器电路 (6)3电源主电路设计 (7)3.1 buck变换器 (7)3.1.1 buck工作原理 (8)3.2 推挽式变换器 (10)3.2.1 主从输出推挽拓扑的原理 (10)3.2.2 推挽式变换器存在的问题及解决方法 (11)3.3输出整流滤波电路设计 (15)4.控制电路和保护电路的设计 (17)4.1控制电路方案比较选择 (17)4.2 控制电路设计 (21)4.2.1 buck控制电路设计 (21)4.2.2 推挽式控制电路设计 (25)4.3保护电路设计 (28)4.4缓冲电路设计 (30)4.5 自举电路设计 (31)5.系统的建模与仿真 (33)5.1 MATLAB简介 (33)5.2系统的建模 (33)5.3系统的仿真及结果分析 (33)结论 (42)参考文献 (43)致谢 (44)毕业设计（论文）知识产权声明 (45)毕业设计（论文）独创性声明 (46)附录 (47)主要符号表Buck 降压式EMC 电磁兼容EMI 电磁干扰CMC 平均电流模式ESR 等效电阻Ton 开关处于开通时间Toff 开关处于关断时间B 磁通密度C 电容D 占空比fs 开关频率KT 变压器变比I电感电流直流平均、交流有效值LR负载电阻LN 绕组匝数Vin 输入电压P 功率C缓冲电容STs 开关周期Ui 输入电压Uo 输出电压L 电感1 绪论1 绪论1.1 前言电力电子学是综合应用电工理论、电子技术及控制理论等，利用电力电子(功率半导体)器件控制或变换电能，以达到合理而高效率地使用能源。
开关电源中Saber仿真设计实例
经常在论坛上看到变压器设计求助，包括：计算公式，优化方法，变压器损耗，变压器饱和，多大的变压器合适啊？其实，只要我们学会了用Saber这个软件，上述问题多半能够获得相当满意的解决。
一、 Saber在变压器辅助设计中的优势：1、由于Saber相当适合仿真电源，因此对电源中的变压器营造的工作环境相当真实，变压器不是孤立地被防真，而是与整个电源主电路的联合运行防真。
主要功率级指标是相当接近真实的，细节也可以被充分体现。
2、Saber的磁性材料是建立在物理模型基础之上的，能够比较真实的反映材料在复杂电气环境中的表现，从而可以使我们得到诸如气隙的精确开度、抗饱和安全余量、磁损这样一些用平常手段很难获得的宝贵设计参数。
3、作为一种高性能通用仿真软件，Saber并不只是针对个别电路才奏效，实际上，电力电子领域所有电路拓扑中的变压器、电感元件，我们都可以把他们置于真实电路的仿真环境中来求解。
从而放弃大部分繁杂的计算工作量，极大地加快设计进程，并获得比手工计算更加合理的设计参数。
4、由于变压器是置于真实电路的仿真环境中求解的，所有与变压器有关的电路和器件均能够被联合仿真，对变压器的仿真实际上成了对主电路的仿真，从而不仅能够获得变压器的设计参数，还同时获得整个电路的运行参数以及主要器件的最佳设计参数。
二、 Saber 中的变压器我们用得上的 Saber 中的变压器是这些：（实际上是我只会用这些 ）分别是：xfrl 线性变压器模型，2~6绕组xfrnl 非线性变压器模型，2~6绕组单绕组的就是电感模型： 也分线性和非线性2种线性变压器参数设置（以2绕组为例）：其中：lp 初级电感量ls 次级电感量np、ns 初级、次级匝数，只是显示用，不是真参数，可以不设置rp、rs 初级、次级绕组直流电阻值，默认为0，实际应该是该绕组导线的实测或者计算电阻值，在没有得到准确数据前，建议至少设置一个非0值，比如1p（1微微欧姆）k 偶合（互感）系数，建议开始设置为1，需要考虑漏感影响时再设置为低于1的值。
基于multisim开关电源的仿真设计
KC017-1
２006 届毕业设计开题报告
题目基于ｍｕltisim开关电源的仿真设计
专业电气工程及其自动化
姓名周大伟
班级0 2 电三
指导教师许泽刚
起止日期06．3．19－06.3.2
２0０6年03 月31日
也就可以尽快解决。
减少投资，加快开发速度,大大减少了设计所需的时间。
３.2工作内容
（1）了解Buｃk变换器的设计方法;
（2）熟悉Mｕltiｓｉm仿真软件;
（3）进行方案比较,确定简便、可行的方案。
（4）绘制ＢUＣK主电路和控制电路,并完成闭环参数的设计;
（5）采用参数扫描法设计滤波电感；
（6）采用Multisim仿真软件进行仿真设计;
（7）撰写毕业论文，准备答辩;
4.设计方案及其技术路线
4．1BUＣK变换器设计
此设计分为BＵCK主电路和闭环控制电路两部分的设计,且采用M ｕｌtisim仿真软件进行仿真设计。
本开关电源设计采用Buck(降压）电路，Ｂuck 变换器是最基本的PWM变换器主电路拓扑之一。
图1是ＢU ＣK变换器电路。
图1降压(Buck)变换器电路
主要的设计步骤为：主电路选型(Buck电路）,“黑箱”计算,输出滤
注：开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师的指导下，由学生填写,经导师签署意见及系部审核后生效。
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关于高压开关电源仿真技术的设计
摘要：传统的高压直流电源通常用工频交流电源经升压变压器升压、整流滤波
而得。
这类整流电路优点是接线简单，缺点是所用设备、组件的电压较高，体积、重量和占地面积大，使设备变得非常笨重。
随着电力电子器件和相关应用技术的
发展，以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果
好的特点，正逐步取代传统电源的位置，成为电源行业的主流形式。
本文应用MATLAB对一种要求输出电压大范围连续可调的高压开关电源进行了建模与仿真。
系统结构采用复合结构，满足了输出电压大范围连续可调，输出纹波小的要求，
由仿真结果可知系统结构合理，方案正确。
关键词: 高压开关电源 MATLAB
在当今的军事、工业生产、日常生活等领域，高压直流电源有着广泛的应用，尤其在医学方面高压直流电源经常用于X光机、CT等大型设备。
一、设计任务及仿真软件
在开关电源的设计过程中，计算机仿真是重要的手段和工具。
应用仿真手段
可以检验设计的系统是否满足性能要求，并且可以减少很多电路的实验工作。
与
电路实验相比，计算机仿真所需时间要少得多，并可以更全面、更完整地进行，
以希望改进设计质量。
半桥式变换器是中等功率的开关电源常用的结构形式，它具有变压器双向激磁，没有变压器偏磁问题，开关元件较少，成本低等优点。
本次设计主变换器采
用半桥结构，系统的性能指标为：
输入电源：AC220V±22V；
输出： DC5～30KV，5～30mA；
输出电压稳定度不大于0.1%；
输出电压纹波不大于0.1%
此次设计采用MATLAB作为仿真研究工具。
MATLAB是广泛应用于控制及相
关各领域的功能非常强大的仿真软件，应用其中的simulink可以非常直观、系统
地对电力电子装置进行仿真。
二、仿真系统构成
开关电源的仿真首先要解决PWM发生器的问题，这里应用直流电平与三角
波进行比较的方法构建了PWM发生器
由于主变换器结构采用半桥式，所以PWM发生器输出应为互补的双路，并
且要有一定的死区，以防止上下桥臂的功率管直通。
同时为了保证输出电压的纹
波不太大，PWM的占空比又不能太小，这里选用固定占空比0.35。
为了满足电源输出电压的大范围连续可调，同时保证输出纹波不增加，在主
电路的直流母线上加入PWM调压电路，并由电源输出端引回电压反馈，形成闭
环控制，闭环控制器采用工程中经常使用的PI调解器。
调压电路的PWM发生电路，与半桥电路的PWM发生器相似，主要区别在于，半桥电路的PWM发生器
为双路输出，调压电路的PWM发生电路为单路输出。
高压电源的输出部分采用高压高频变压器结合倍压整流电路组成，这种结构
是高压电源的常用结构，与实际应用情况一致。
其中变压器原边的半桥采用两只IGBT串联，变压器副边采用两只二极管串联，结合滤波电容构成倍压整流电路。
三、仿真波形
系统运行后观察各点波形。
半桥变换器中两只IGBT的驱动信号波形。
看出信号占空比与设计值相同，死区明显，信号符合IGBT驱动的要求。
高压变压器原边所示波形与IGBT工作过程相一致。
输出电压30KV，电流分别为30mA和5mA时输出电压波形，由波形可以看出，系统响应速度较快，幅值满足30KV±30V的要求，电压纹波小于0.1%，满足系统性能指标要求。
输出电压5KV，电流分别为30mA和5mA时，输出电压波形。
由波形可以看出，各项指标满足系统要求。
由仿真过程和波形可知，系统结构设计合理，可以满足系统要求。
参考文献
[1] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]机械工业出版社，2206，1
[2] 高增辉.单端反激式高频高压开关电源的数字仿真研究[J].西南民族学院学报，1998。