基于PSpice軟件的單相Boost變換器的仿真分析

摘要：隨著計算機性能的提高，使用計算機仿真方法幫助掌握電氣工程領(lǐng)域的基本知識并解決設(shè)計問題是通行的方法。PSpice是一款功能強大的專用于電力電子電路的仿真軟件，可對各種模擬、數(shù)字電路進行仿真，它的仿真波形與試驗電路的測試結(jié)果十分相近。本文應(yīng)用PSpice對Boost變換器的全部工作過程進行了仿真與分析，并對電路中儲能元件的各種工作狀態(tài)進行了分析，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、詳細的分析了Boost變換器由啟動到達穩(wěn)態(tài)的工作過程，并對其中各種現(xiàn)象進行了細致深入的分析，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同時向負載R供電，輸入電流經(jīng)電感L、二極管D流向負載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：

[!--empirenews.page--]

    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。

  3  PSpice 仿真軟件簡介及其建模

PSpice是由美國Microsim公司在SPICE 2G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

4.1  Boost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 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)進行詳細的分析。[!--empirenews.page--]

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向負載提供更高的輸出電壓，圖5中第二周期電感電壓的負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。[!--empirenews.page--]

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蛘哓撦d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。