《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于PSpice軟件的單相Boost變換器的仿真分析
基于PSpice軟件的單相Boost變換器的仿真分析
摘要: 本文應(yīng)用PSpice對(duì)Boost變換器的全部工作過程進(jìn)行了仿真與分析,并對(duì)電路中儲(chǔ)能元件的各種工作狀態(tài)進(jìn)行了分析,,給出了大量直觀的仿真波形,,從而可以幫助科研人員或?qū)W習(xí)者加深對(duì)Boost變換器的理解。
Abstract:
Key words :

  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(shí)踐性很強(qiáng)的課程,,該課程中有大量的波形分析內(nèi)容,需要教師花費(fèi)大量的時(shí)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(shí)性,如果能結(jié)合實(shí)驗(yàn)演示,,從示波器上觀察各種變流電路的電壓,、電流波形,則對(duì)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(jìn)行虛擬的電子電路實(shí)驗(yàn)就如同真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行變參數(shù)仿真),,就如同在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(duì)理論知識(shí)的理解和加強(qiáng)對(duì)實(shí)際電路工作的感性認(rèn)識(shí)。

  Boost斬波電路是《電力電子技術(shù)》中的一個(gè)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(jì)中,。對(duì)Boost變換器的工作過程的理解、掌握關(guān)系到對(duì)整個(gè)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(dòng)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(gè)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(dòng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的工作過程,,并對(duì)其中各種現(xiàn)象進(jìn)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(hào)的激勵(lì)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(chǔ)能;開關(guān)管Q截止時(shí),,二極管D導(dǎo)通,,直流電源Vi和電感L同時(shí)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(shí)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:

Boost變換器

  式中D為Boost變換器的占空比,,因?yàn)檎伎毡菵<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(gè)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,。

Boost變換器的工作狀態(tài)

  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(jí)并用于PC機(jī)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(dòng)態(tài)仿真僅僅是其應(yīng)用之一,。PSpice的電路元件模型反映實(shí)際型號(hào)元件的特性,通過對(duì)電路方程運(yùn)算求解,,能夠仿真電路的細(xì)節(jié),,特別適合于對(duì)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(yàn)電路的測試結(jié)果相近,,在模擬實(shí)際電路的波形方面比較準(zhǔn)確,,對(duì)電路設(shè)計(jì)有著重要指導(dǎo)意義[1]~[4]。

  本文基于PSpice軟件對(duì)Boost變換器進(jìn)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(dòng)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(dòng)信號(hào)采用脈沖信號(hào)源vs,其主要參數(shù)為:低電平V1=0V,,高電平V2=5V,,延遲時(shí)間TD=5us,上升時(shí)間TR=1us,,下降時(shí)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,。

模型圖

  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(duì)圖3所示的Boost變換器進(jìn)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),。

電感電流的仿真結(jié)果用圖形輸出

   為了對(duì)電路的啟動(dòng)過程進(jìn)行分析,,我們對(duì)0~60us的時(shí)間段進(jìn)行瞬態(tài)分析[7],為了便于分析,,我們將開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖延時(shí)了5us,,分別對(duì)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(jìn)行測量,可得如圖5所示的波形,。下面對(duì)Boost變換器剛開始工作的第一個(gè)周期的工作狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的分析,。

 

瞬態(tài)分析的各測量點(diǎn)波形圖

圖5瞬態(tài)分析的各測量點(diǎn)波形圖

  (1)工作狀態(tài)1:0~5us

  此時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(jìn)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(chǔ)存能量,;此時(shí)二級(jí)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(shí)儲(chǔ)存的能量。

電壓波形放大

 ?。?)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(shí)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(jí)供電,使電路產(chǎn)生了升壓作用,。此時(shí),,電感向后級(jí)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(chǔ)存能量。

  電路在5us~30us時(shí)間段之間的工作過程是Boost變換器的第一個(gè)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?yàn)閃L1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(shí)間軸所圍面積即為相應(yīng)時(shí)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(gè)開關(guān)周期中,,電感儲(chǔ)存的能量大于釋放的能量,。第二個(gè)周期開始時(shí),電感電流在第一個(gè)開關(guān)周期的基礎(chǔ)上增長,,并進(jìn)一步儲(chǔ)存能量,,在開關(guān)斷開時(shí),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(diǎn)。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(gè)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(gè)開關(guān)周期末,電感電流值下降到此工作周期開始時(shí)的電感電流值,,此時(shí)電感吸收的能量等于其釋放的能量,,電感不再進(jìn)一步儲(chǔ)能。開關(guān)關(guān)斷時(shí)電感提供的負(fù)電壓不會(huì)再增加,,電感電流下降的斜率也不會(huì)再增加,,電感進(jìn)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(duì)電感分析時(shí)所采取的能量方法進(jìn)行分析,在此不再贅述,。

  用PSpice對(duì)Boost變換器的模型進(jìn)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(jìn)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(gè)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(chǔ)的過程,。

輸出電壓Vout的波形

  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(shí)電感,、電容均已進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),,每個(gè)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?。ɑ蛘哓?fù)載電阻較大,,或者電路工作周期較長)時(shí)[1],Boost變換器將會(huì)進(jìn)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(shí)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(shí)工作于電流斷續(xù)模式,,對(duì)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。

 電路斷續(xù)模式時(shí)的電感電流仿真波形

圖9電路斷續(xù)模式時(shí)的電感電流仿真波形

  6結(jié)論

  計(jì)算機(jī)仿真具有效率高,、精度高,、可靠性高和成本低等特點(diǎn),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(jì)中,。計(jì)算機(jī)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(dòng)強(qiáng)度,提高分析和設(shè)計(jì)能力,,避免因?yàn)榻馕龇ㄔ诮铺幚碇袔淼妮^大誤差,,而且還可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充,,最大限度的降低設(shè)計(jì)成本,縮短系統(tǒng)研制周期,??梢哉f,電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)大大加速了電路的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程,。

 

  PSpice的應(yīng)用范圍很廣,,電力電子電路的動(dòng)態(tài)仿真僅僅是其應(yīng)用之一。PSpice的電路元件模型反映實(shí)際型號(hào)元件的特性,,通過對(duì)電路方程運(yùn)算求解,,能夠仿真電路的細(xì)節(jié),特別適合于對(duì)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(yàn)電路的測試結(jié)果相近,,在模擬實(shí)際電路的波形方面比較準(zhǔn)確,對(duì)電路設(shè)計(jì)有著重要指導(dǎo)意義,。本文采用PSpice仿真分析方法,,對(duì)Boost變換器的工作過程和升壓原理進(jìn)行了詳細(xì)分析,對(duì)深入理解Boost變換器具有極大的促進(jìn)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的建模,,這就為高層次模擬電路進(jìn)行仿真奠定了基礎(chǔ),從而使其具有了對(duì)電力電子系統(tǒng),、控制系統(tǒng)等系統(tǒng)級(jí)的建模仿真能力,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。