采用PSpice仿真分析方法對(duì)Boost變換器的原理和工作特性進(jìn)行分析

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“，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(zhǎng)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，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。

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，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：

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(yǔ)言的5.0版本自80年代以來在我國(guó)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(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。

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)。

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，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(cè)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。

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。

（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(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(zhǎng)，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。

（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(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(zhǎng)，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。

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(zhǎng)）時(shí)，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。

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(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。

責(zé)任編輯：gt