基于SEPIC架構電路的驗證與仿真

北方工業大學信息工程學院微電子學系 屈天凱 王彥虎 林 璐 楊飛泠

1.引言

傳統功率因數校正PFC電路一般采用Boost電路該電路輸出電壓比輸入電壓高難以實現輸入輸出之間的電氣隔離而反激電路構成的PFC電路必須工作在電感電流斷續狀態往往需要大體積的電磁干擾EMI濾波器而SEPIC電路用于PFC有著獨特的優勢由于其前級類似于Boost變換器因此可保證輸入電流的連續性并減少EMI而其輸出級又類似于反激電路易于實現電氣隔離[1]為此基于SEPIC的PFC電路正受到越來越多的關注。

目前SEPIC電路廣泛用在DC-DC變換電路之上，對于AC-DC變換電路的研究比較少，在AC-DC變換基礎之上SEPIC電路是否可行，通過實際SEPIC應用電路來證明。做開關電源前期最基本的工作要進行電路結構的驗證與仿真，鑒于SEPIC電路仿真的難點在于器件模型庫的建立與器件的選擇，以下內容針對SEPIC結構電路進行隔離與非隔離技術，針對仿真的難點加以論述。

圖1 sepic電路結構

圖2 電感L1和L2的電流波形

圖3 SEPIC電路的仿真結構圖

圖4 電感L1、L2上電流波形圖

圖5 輸入電壓電流波形圖

2.SEPIC電路工作原理[1]

本文重點在于對SEPIC電路的仿真，因此原理性的東西僅作簡單介紹：

（1）階段1（ton時段），開關S開通，輸入電源對電感L1充電，存儲于電容C1中的電荷對電感L2充電；

（2）階段2（tdon時段），開關S關斷，充在電感L1上的電荷對電容C1放電，充在電感L2上的電荷通過二極管D對負載放電；

（3）階段3（Ts-ton-tdon時段），通過二極管的放電電流減小至零，二極管自然關斷，L1，C1，L2形成低頻振蕩，但時間常數較大，故在開關周期內，振蕩形成的回路電流可視為恒定不變。

一個開關周期內電感L1和L2上的電流如圖2，可以看出輸入電流是連續的，當紋波電流irp較小時，輸入電流波形良好地跟隨輸入電壓波形，PFC功能自然地實現。但是，要達到良好跟隨特性，必須滿足的必要條件是：在開關S開通之前，二極管電流減小到零使二極管關斷，也可表示為：ton+tdon＜Ts，在文獻[2，3]中又稱為電流不連續條件，這里“不連續”指輸出而不是輸入。在這一條件下，Simonetti等[3]推導出的輸入電流的低頻表達式為

式中：d為占空比；Leq=L1L2/(L1+L2)；Vinpk為輸入電壓峰值；ω為輸入電壓頻率；Ts為開關周期；Ipk為輸入電流峰值。

3.PSPICE電路對SEPIC電路的實驗仿真

輸入電壓：18Osin（2π5Ot）；

輸出電壓：Vo=1OOV；

開關管頻率：fs=5Okhz；

輸出功率：P=1OOW；

輸出電阻：R=1OOΩ；

L1=2.4mh，L2=149uh，d=O.295，C1=O.39，C2=5OOuf，

該電路圖如圖3所示，

圖4所示電感L1、L2上仿真電流波形圖，其中紅色代表L2，綠色代表L1，仿真波形和理想波形很吻合，可以說明在開關管段時間，L1、L2、和C1構成諧振電路，故電流近似恒定不變。

輸入電壓電流波形如圖5所示，綠線代表電流，紅線代表電壓，其輸入電壓電流波形理想，達到了PFC的目的。

為了驗證變壓器模型是否取的合適，采取不帶磁芯的變壓器，電路如圖6所示，其中初次級線圈電感量都為149uh，所以線圈匝數比n=1:1。

將無磁芯變壓器中L2的電壓電流和沒有變壓器的電壓電流做了對比，紅色表示沒有變壓器電流波形，綠色表示有變壓器電流波形，圖7是電壓波形，兩電壓波形完全重合。電感電流本應不能突變，但從綠線看出在開關關斷時，變壓器電流突然變成負的然后呈線性增加和紅線重合。

再觀察輸出有變壓器和無變壓器波形如圖8所示，從圖中我們可以看出輸出電壓完全重合，所以按照線圈匝數n=1:1的變壓器和無變壓器電路基本上一樣的，說明所選變壓器模型合適。

4.結論

圖6 不帶磁芯的變壓器電路

圖7 所示L2電壓電流波形

圖8 有變壓器和無變壓器輸出電壓波形

PSPICE仿真軟件的波形圖和理論分析完全吻合，所以可以證明在AC-DC變換基礎之上SEPIC電路是可行的。

[1]劉鳳君.現代高頻開關電源技術及應用[M].北京:電子工業出版社,2008

[2]Sabastian J,Uceda J,CobosJAetal.Improving powerfactor correction in distributed power supply systems usingPWM