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采用PSpice仿真分析方法對Boost變換器的原理和工作特性進行分

2021-03-10 18:16:44

《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“,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,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,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:
采用PSpice仿真分析方法對Boost變換器的原理和工作特性進行分析
采用PSpice仿真分析方法對Boost變換器的原理和工作特性進行分析
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”。
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,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
(1)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。
(2)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。

(3)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?。ɑ蛘哓?fù)載電阻較大,或者電路工作周期較長)時,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。

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