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(多图) 基于PSpice软件的单相Boost变换器的仿真分析

2009年07月22日 ?? 收藏0

  1引言

  《电力电子技术》是一门重要的专业基础课,在教学中通过分析电力电子器件的导通、关断情况来了解整流问题、斩波等电路的工作原理,是一门实践性很强的课程,该课程中有大量的波形分析内容,需要教师花费大量的时间画出变流过程的电压、电流波形图,而仅靠图形来说明问题又缺乏真实性,如果能结合实验演示,从示波器上观察各种变流电路的电压、电流波形,则对教学内容的深入理解非常又帮助。

  使用电力电子电路仿真软件[1]~[3],进行虚拟的电子电路实验就如同真实实验一样逼真、形象。例如在虚拟电路图上修改元件值并立即显示波形(或进行变参数仿真),就如同在实际的实验台上调整可变电阻(电位器),并用示波器显示调试后的波形一样,因此在教学过程中使用电力电子电路仿真软件,将使学生在学习过程中加深对理论知识的理解和加强对实际电路工作的感性认识。

  Boost斩波电路是《电力电子技术》中的一个重要组成部分,Boost变换器又称为升压型电路,是一种DC-DC变换电路,Boost变换器在开关电源领域内占有非常重要的地位,长期以来广泛的应用于各种电源设备的设计中。对Boost变换器的工作过程的理解、掌握关系到对整个开关电源领域各种电路工作过程的理解,然而现有的教材及其参考书上仅仅给出了变换器在理想情况下稳态工作过程的分析,却没有涉及电路从启动到稳态工作过程之间暂态过程,这非常不利于研究人员理解电路的整个工作过程和升压原理。本文采用PSpice仿真软件[4],直观、详细的分析了Boost变换器由启动到达稳态的工作过程,并对其中各种现象进行了细致深入的分析,便于研究人员真正掌握Boost变换器的工作特性。

  2Boost变换器及其工作原理

  工程中常用的升压(Boost)变换器的原理图如图1所示[5][6],其中Vi为输入直流电源,Q为功率开关管,在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态,Q导通,输入电流流经电感L和开关管Q,电感L储能;开关管Q截止时,二极管D导通,直流电源Vi和电感L同时向负载R供电,输入电流经电感L、二极管D流向负载R,同时给电容C充电,电感L释放能量,在理想情况下,该电路输出电压:

Boost变换器

  式中D为Boost变换器的占空比,因为占空比D<1,所以V(out)>Vi,故称升压式变换器。Boost变换器的工作模式分为电感电流连续工作模式(CCM)和电感电流断续工作模式(DCM),所不同的是电流断续模式比电流连续模式多出一个电感电流为零的工作状态。Boost变换器的工作状态如图2所示。

Boost变换器的工作状态

  3PSpice仿真软件简介及其建模

  PSpice是由美国Microsim公司在SPICE2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPICE版本,其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用,并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并,自此Microsim公司的PSpice产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。

  PSpice的应用范围很广,电力电子电路的动态仿真仅仅是其应用之一。PSpice的电路元件模型反映实际型号元件的特性,通过对电路方程运算求解,能够仿真电路的细节,特别适合于对电力电子电路中开关暂态过程的描述。它的仿真波形与试验电路的测试结果相近,在模拟实际电路的波形方面比较准确,对电路设计有着重要指导意义[1]~[4]。

  本文基于PSpice软件对Boost变换器进行了建模,模型图如图3(a)所示,其中Vi为输入直流电源,Rs设为电源内阻,R1为驱动电阻,RL为负载电阻,为保证Boost变换器工作于电流连续模式,滤波电感L1暂取为100uH。功率开关管M1采用MOS管IRF640,其驱动信号采用脉冲信号源vs,其主要参数为:低电平V1=0V,高电平V2=5V,延迟时间TD=5us,上升时间TR=1us,下降时间TF=1us,脉冲宽度PW=10us,开关周期PER=25us,其波形示意图如图3(b)所示。

模型图

  4电流连续模式下的仿真研究

  4.1Boost变换器的瞬态过程分析

  用PSpice仿真软件对图3所示的Boost变换器进行瞬态分析,各元器件的电气参数如图中所示,瞬态分析参数设为Printstep=100ns,Finaltime=2.5ms,电感电流的仿真结果用图形输出如图4所示,从图中可知电感电流IL1为锯齿波,而且始终为正值,说明该电路工作于连续状态。

电感电流的仿真结果用图形输出


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PSpice? Boost变换器? 仿真? 瞬态分析?

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