1引言
《電力電子技術(shù)》是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)中通過分析電力電子器件的導(dǎo)通,、關(guān)斷情況來了解整流問題,、斬波等電路的工作原理,，是一門實踐性很強的課程，該課程中有大量的波形分析內(nèi)容,，需要教師花費大量的時間畫出變流過程的電壓,、電流波形圖,，而僅靠圖形來說明問題又缺乏真實性，如果能結(jié)合實驗演示,，從示波器上觀察各種變流電路的電壓,、電流波形，則對教學(xué)內(nèi)容的深入理解非常又幫助,。
使用電力電子電路仿真軟件[1]~[3]，進行虛擬的電子電路實驗就如同真實實驗一樣逼真,、形象,。例如在虛擬電路圖上修改元件值并立即顯示波形（或進行變參數(shù)仿真）,，就如同在實際的實驗臺上調(diào)整可變電阻（電位器），并用示波器顯示調(diào)試后的波形一樣,，因此在教學(xué)過程中使用電力電子電路仿真軟件，將使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中加深對理論知識的理解和加強對實際電路工作的感性認(rèn)識,。
Boost斬波電路是《電力電子技術(shù)》中的一個重要組成部分,，Boost變換器又稱為升壓型電路,，是一種DC－DC變換電路，Boost變換器在開關(guān)電源領(lǐng)域內(nèi)占有非常重要的地位,，長期以來廣泛的應(yīng)用于各種電源設(shè)備的設(shè)計中,。對Boost變換器的工作過程的理解,、掌握關(guān)系到對整個開關(guān)電源領(lǐng)域各種電路工作過程的理解,，然而現(xiàn)有的教材及其參考書上僅僅給出了變換器在理想情況下穩(wěn)態(tài)工作過程的分析,，卻沒有涉及電路從啟動到穩(wěn)態(tài)工作過程之間暫態(tài)過程,，這非常不利于研究人員理解電路的整個工作過程和升壓原理。本文采用PSpice仿真軟件[4],，直觀、詳細(xì)的分析了Boost變換器由啟動到達(dá)穩(wěn)態(tài)的工作過程,，并對其中各種現(xiàn)象進行了細(xì)致深入的分析,，便于研究人員真正掌握Boost變換器的工作特性,。
2Boost變換器及其工作原理
工程中常用的升壓（Boost）變換器的原理圖如圖1所示[5][6]，其中Vi為輸入直流電源,，Q為功率開關(guān)管,，在外部脈沖信號的激勵下工作于開關(guān)狀態(tài)，Q導(dǎo)通,，輸入電流流經(jīng)電感L和開關(guān)管Q,，電感L儲能；開關(guān)管Q截止時,，二極管D導(dǎo)通,，直流電源Vi和電感L同時向負(fù)載R供電,，輸入電流經(jīng)電感L,、二極管D流向負(fù)載R，同時給電容C充電,，電感L釋放能量,，在理想情況下,，該電路輸出電壓：
式中D為Boost變換器的占空比，因為占空比D<1,，所以V（out）>Vi，故稱升壓式變換器,。Boost變換器的工作模式分為電感電流連續(xù)工作模式（CCM）和電感電流斷續(xù)工作模式（DCM），所不同的是電流斷續(xù)模式比電流連續(xù)模式多出一個電感電流為零的工作狀態(tài),。Boost變換器的工作狀態(tài)如圖2所示,。
3PSpice仿真軟件簡介及其建模
PSpice是由美國Microsim公司在SPICE2G版本的基礎(chǔ)上升級并用于PC機上的SPICE版本,，其中采用自由格式語言的5.0版本自80年代以來在我國得到廣泛應(yīng)用,，并且從6.0版本開始引入圖形界面,。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開發(fā)商ORCAD公司與Microsim公司正式合并,，自此Microsim公司的PSpice產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中,。
PSpice的應(yīng)用范圍很廣,，電力電子電路的動態(tài)仿真僅僅是其應(yīng)用之一,。PSpice的電路元件模型反映實際型號元件的特性，通過對電路方程運算求解,，能夠仿真電路的細(xì)節(jié)，特別適合于對電力電子電路中開關(guān)暫態(tài)過程的描述,。它的仿真波形與試驗電路的測試結(jié)果相近，在模擬實際電路的波形方面比較準(zhǔn)確,，對電路設(shè)計有著重要指導(dǎo)意義[1]~[4],。
本文基于PSpice軟件對Boost變換器進行了建模，模型圖如圖3（a）所示,，其中Vi為輸入直流電源,，Rs設(shè)為電源內(nèi)阻，R1為驅(qū)動電阻,，RL為負(fù)載電阻,，為保證Boost變換器工作于電流連續(xù)模式，濾波電感L1暫取為100uH,。功率開關(guān)管M1采用MOS管IRF640,，其驅(qū)動信號采用脈沖信號源vs，其主要參數(shù)為：低電平V1＝0V,，高電平V2=5V,，延遲時間TD=5us，上升時間TR=1us,，下降時間TF=1us,，脈沖寬度PW=10us,，開關(guān)周期PER=25us，其波形示意圖如圖3（b）所示,。
4電流連續(xù)模式下的仿真研究
4.1Boost變換器的瞬態(tài)過程分析
用PSpice仿真軟件對圖3所示的Boost變換器進行瞬態(tài)分析,，各元器件的電氣參數(shù)如圖中所示，瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)為Printstep=100ns,，F(xiàn)inaltime=2.5ms,，電感電流的仿真結(jié)果用圖形輸出如圖4所示，從圖中可知電感電流IL1為鋸齒波,，而且始終為正值,，說明該電路工作于連續(xù)狀態(tài)。
為了對電路的啟動過程進行分析,，我們對0~60us的時間段進行瞬態(tài)分析[7],，為了便于分析，我們將開關(guān)管的驅(qū)動脈沖延時了5us,，分別對功率開關(guān)管M1的電壓VM1,、輸出電壓Vo、電感上的功率PL1,、電感電壓VL1進行測量,，可得如圖5所示的波形。下面對Boost變換器剛開始工作的第一個周期的工作狀態(tài)進行詳細(xì)的分析,。
圖5瞬態(tài)分析的各測量點波形圖
?。?）工作狀態(tài)1：0~5us
此時間段中，開關(guān)管M1處于關(guān)斷狀態(tài),，直流電源通過電感L,、二極管D1向負(fù)載供電，電路處于穩(wěn)態(tài),。此時電感可以視為處于直流短路狀態(tài),，直流電源直接通過二極管D1對負(fù)載供電。
?。?）工作狀態(tài)2：5us~16us
開關(guān)管M1在5us~6us之間開通,，并一直保持開通狀態(tài)到16us，此時電路開關(guān)狀態(tài)如圖2（a）所示,。由于電路開關(guān)狀態(tài)發(fā)生突變,，電路進入暫態(tài)。由于開關(guān)管的閉合,，開關(guān)管兩端的電壓降為零,，電感兩端產(chǎn)生電壓降，電感電流開始線性增長，電感開始儲存能量,；此時二級管D1處于關(guān)斷狀態(tài),，輸出端由電容Co向負(fù)載RL提供能量，電容上的輸出電壓Vout在下降,，為了能更明顯的看清波形,，我們將其電壓波形放大后如圖6所示，這就意味著電容在釋放剛剛靜態(tài)時儲存的能量,。
?。?）工作狀態(tài)3：16us~30us
開關(guān)管M1在16us~17us之間關(guān)斷，并保持關(guān)斷狀態(tài)直到30us,，電路處于如圖2（b）所示的工作狀態(tài),。在此階段，電路開關(guān)狀態(tài)再次發(fā)生突變,，電路仍然處于暫態(tài)過程中,。由于電感電流的連續(xù)性，電感L1的線圈產(chǎn)生的磁場將改變線圈兩端的極性,，以保持電感電流IL不變,，因此電感電壓在這一時段出現(xiàn)負(fù)電壓，放大后的電感電壓波形如圖7所示,，此電壓是由線圈的磁能轉(zhuǎn)化而成的,，它與電源Vi串聯(lián)，以高于Vi的電壓向電路的后級供電,，使電路產(chǎn)生了升壓作用,。此時，電感向后級釋放能量,，電感電流不斷減小,，電感電流通過二極管D1到達(dá)輸出端后，一部分給輸出提供能量,，一部分給電容充電，可以看到,，電容上的電壓在上升,，電容開始儲存能量。
電路在5us~30us時間段之間的工作過程是Boost變換器的第一個工作周期,，此后變換器重復(fù)上述過程工作至穩(wěn)態(tài)過程,。
4.2穩(wěn)定（態(tài)）過程分析
觀察圖5中電感上的功率WL1的波形，因為WL1為正表示電感吸收能量,，WL1為負(fù)表示電感釋放能量,，WL1波形曲線與時間軸所圍面積即為相應(yīng)時間內(nèi)電感傳遞能量的大小。不難看出Boost變換器在工作的前兩個開關(guān)周期中,，電感儲存的能量大于釋放的能量,。第二個周期開始時,，電感電流在第一個開關(guān)周期的基礎(chǔ)上增長，并進一步儲存能量,，在開關(guān)斷開時,，電感釋放出更大能量，以更高的VM1向負(fù)載提供更高的輸出電壓,，圖5中第二周期電感電壓的負(fù)電壓幅值大于第一周期也恰恰說明了這一點,。但是應(yīng)該注意到，電感上負(fù)電壓的幅值又與電感電流下降的斜率成正比,，隨著電路的工作,，每個周期電感提供的負(fù)電壓越來越大，電感電流下降斜率也隨之增加,，直到在每個開關(guān)周期末,，電感電流值下降到此工作周期開始時的電感電流值，此時電感吸收的能量等于其釋放的能量,，電感不再進一步儲能,。開關(guān)關(guān)斷時電感提供的負(fù)電壓不會再增加，電感電流下降的斜率也不會再增加,，電感進入穩(wěn)定工作狀態(tài),。
與電感類似，輸出電容也存在著由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡過程,，可以采用對電感分析時所采取的能量方法進行分析,，在此不再贅述。
用PSpice對Boost變換器的模型進行瞬態(tài)分析,，輸出電壓Vout的波形,、電感上功率的波形和電感電流IL1的波形如圖8所示，由此可見,，電路輸出電壓,、電感電流在1.4ms左右趨于穩(wěn)定，變換器進入穩(wěn)定工作狀態(tài),。值得注意的是,，電感電流在前l(fā)ms內(nèi)形成了一個峰值，這是由于前l(fā)ms內(nèi),，電感和輸出電容上的能量不斷增加導(dǎo)致的,，它反映了電感和電容由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡工作過程中，器件自身的能量存儲的過程,。
在穩(wěn)態(tài)過程中,，電路的工作過程與圖5相類似，只是此時電感、電容均已進入穩(wěn)定工作狀態(tài),，每個開關(guān)周期內(nèi)電感提供相同大小的負(fù)電壓,，電感電流下降的斜率一定，如圖4所示,，電感吸收的能量等于釋放的能量,，電容充電能量等于放電能量，電感,、電容不再吸收能量而成為能量傳遞工具,。
5電流斷續(xù)模式分析
當(dāng)電感較小（或者負(fù)載電阻較大,，或者電路工作周期較長）時[1],，Boost變換器將會進入電流斷續(xù)模式，將圖3中的Boost變換器的電感L1減小到40uH,，同時將負(fù)載電阻RL增加到200,，其他參數(shù)不變。仿真結(jié)果如圖9所示,，Boost變換器此時工作于電流斷續(xù)模式,，對于電路的瞬態(tài)過程與電流連續(xù)型完全類似，具體分析過程可以參閱電感電流連續(xù)模式的瞬態(tài)過程分析,。
圖9電路斷續(xù)模式時的電感電流仿真波形
6結(jié)論
計算機仿真具有效率高,、精度高、可靠性高和成本低等特點,，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電力電子電路（或系統(tǒng)）的分析和設(shè)計中,。計算機仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許多繁瑣的人工分析，減輕勞動強度,，提高分析和設(shè)計能力,，避免因為解析法在近似處理中帶來的較大誤差，而且還可以與實物試制和調(diào)試相互補充,，最大限度的降低設(shè)計成本,，縮短系統(tǒng)研制周期?？梢哉f,，電路的計算機仿真技術(shù)大大加速了電路的設(shè)計和試驗過程。
PSpice的應(yīng)用范圍很廣,，電力電子電路的動態(tài)仿真僅僅是其應(yīng)用之一。PSpice的電路元件模型反映實際型號元件的特性,，通過對電路方程運算求解,，能夠仿真電路的細(xì)節(jié)，特別適合于對電力電子電路中開關(guān)暫態(tài)過程的描述。它的仿真波形與試驗電路的測試結(jié)果相近,，在模擬實際電路的波形方面比較準(zhǔn)確,，對電路設(shè)計有著重要指導(dǎo)意義。本文采用PSpice仿真分析方法,，對Boost變換器的工作過程和升壓原理進行了詳細(xì)分析,，對深入理解Boost變換器具有極大的促進作用。此外,，PSpice中還可引入模擬行為建模,，可以用函數(shù)、表格等方式實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的建模,，這就為高層次模擬電路進行仿真奠定了基礎(chǔ),，從而使其具有了對電力電子系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等系統(tǒng)級的建模仿真能力,。