基于PSpice軟件的單相Boost變換器的仿真分析

摘要：隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，使用計(jì)算機(jī)仿真方法幫助掌握電氣工程領(lǐng)域的基本知識(shí)并解決設(shè)計(jì)問(wèn)題是通行的方法。PSpice是一款功能強(qiáng)大的專(zhuān)用于電力電子電路的仿真軟件，可對(duì)各種模擬、數(shù)字電路進(jìn)行仿真，它的仿真波形與試驗(yàn)電路的測(cè)試結(jié)果十分相近。本文應(yīng)用PSpice對(duì)Boost變換器的全部工作過(guò)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。 敘詞：Boost變換器 PSpice 仿真 瞬態(tài)分析 Abstract：With the improvement of computer performance, Computer simulation technology becomes a usual method to help master the basic knowledge of power electronic system and to analyze and resolve the design or research problem. PSpice is a powerful general purpose analog circuit simulator that is used to verify analog or mixed digital circuit designs and to predict the circuit behavior. Its simulation waveforms is nearly as same as the experimental waveforms. The overall working stages of Boost converter is simulated and analyzed by PSpice. All the stages of stored energy elements of boost converter are also introduced. Some simulation waveforms are given to verify the analysis. Thus the understanding of boost converter is deepened. Keyword：Boost converter PSpice simulation transient analysis
1  引言

《電力電子技術(shù)》是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)中通過(guò)分析電力電子器件的導(dǎo)通、關(guān)斷情況來(lái)了解整流問(wèn)題、斬波等電路的工作原理，是一門(mén)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(huà)出變流過(guò)程的電壓、電流波形圖，而僅靠圖形來(lái)說(shuō)明問(wèn)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域內(nèi)占有非常重要的地位，長(zhǎng)期以來(lái)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(guò)程的理解、掌握關(guān)系到對(duì)整個(gè)開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域各種電路工作過(guò)程的理解，然而現(xiàn)有的教材及其參考書(shū)上僅僅給出了變換器在理想情況下穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程的分析，卻沒(méi)有涉及電路從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程之間暫態(tài)過(guò)程，這非常不利于研究人員理解電路的整個(gè)工作過(guò)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(guò)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。

2  Boost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(kāi)關(guān)管，在外部脈沖信號(hào)的激勵(lì)下工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，Q導(dǎo)通，輸入電流流經(jīng)電感L和開(kāi)關(guān)管Q，電感L儲(chǔ)能；開(kāi)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：

    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。

  3  PSpice 仿真軟件簡(jiǎn)介及其建模

PSpice是由美國(guó)Microsim公司在SPICE 2G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(yǔ)言的5.0版本自80年代以來(lái)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，并且從6.0版本開(kāi)始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)商O(píng)RCAD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(guò)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(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程的描述。它的仿真波形與試驗(yàn)電路的測(cè)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(kāi)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(kāi)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

4.1  Boost變換器的瞬態(tài)過(guò)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 Print step=100ns，F(xiàn)inal time=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(shuō)明該電路工作于連續(xù)狀態(tài)。

    為了對(duì)電路的啟動(dòng)過(guò)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(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖延時(shí)了5us，分別對(duì)功率開(kāi)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(cè)量，可得如圖5所示的波形。下面對(duì)Boost變換器剛開(kāi)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。

圖5 瞬態(tài)分析的各測(cè)量點(diǎn)波形圖

（1）工作狀態(tài)1：0~5us

此時(shí)間段中，開(kāi)關(guān)管M1處于關(guān)斷狀態(tài)，直流電源通過(guò)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(guò)二極管D1對(duì)負(fù)載供電。

（2）工作狀態(tài)2：5us~16us

開(kāi)關(guān)管M1在5us~6us之間開(kāi)通，并一直保持開(kāi)通狀態(tài)到16us，此時(shí)電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)如圖2（a）所示。由于電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生突變，電路進(jìn)入暫態(tài)。由于開(kāi)關(guān)管的閉合，開(kāi)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(kāi)始線性增長(zhǎng)，電感開(kāi)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。

（3）工作狀態(tài)3：16us~30us

開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)再次發(fā)生突變，電路仍然處于暫態(tài)過(guò)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(chǎng)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(guò)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(kāi)始儲(chǔ)存能量。

電路在5us~30us時(shí)間段之間的工作過(guò)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(guò)程工作至穩(wěn)態(tài)過(guò)程。

4.2   穩(wěn)定（態(tài)）過(guò)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(kāi)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(kāi)始時(shí)，電感電流在第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)，并進(jìn)一步儲(chǔ)存能量，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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(shuō)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(lái)越大，電感電流下降斜率也隨之增加，直到在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期末，電感電流值下降到此工作周期開(kāi)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(kāi)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(lèi)似，輸出電容也存在著由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡過(guò)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(jiàn)，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(guò)渡工作過(guò)程中，器件自身的能量存儲(chǔ)的過(guò)程。

在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，電路的工作過(guò)程與圖5相類(lèi)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(kāi)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(zhǎng)）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(guò)程與電流連續(xù)型完全類(lèi)似，具體分析過(guò)程可以參閱電感電流連續(xù)模式的瞬態(tài)過(guò)程分析。

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?lái)的較大誤差，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(shuō)，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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程的描述。它的仿真波形與試驗(yàn)電路的測(cè)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(guò)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。