BUCK/BOOST直流變換器的建模仿真驗證

2018-05-24 05:35:04馬叢淦宋振輝

電力安全技術 2018年4期

王釗，馬叢淦，宋振輝

(國網北京市電力公司，北京 100031)

0 引言

直流變換器可以對直流電壓進行變換，通常被稱作二次電源。降壓變換器(BUCK變換器)和升壓變換器(BOOST變換器)是2種最基本的直流/直流電壓變換器，相關元件在電力仿真中有廣泛的應用。

下面主要介紹這2種直流變換器的電路結構與工作原理，并通過OrCADPspice電路仿真軟件進行建模與仿真驗證，相關方法可為實際電力系統中直流/直流變換、交/直/交變換元件仿真提供依據和參考。

1 BUCK變換器

1.1 電路結構與原理

圖1是BUCK變換器的電路原理圖。開關T和二極管D構成了最基本的開關型直流/直流降壓變換電路。通過對開關進行周期性的通斷控制，可以將直流電源的輸入電壓VS變換為電壓Vo，輸出給負載。

圖1 BUCK變換器的電路結構

在開關導通的Ton=DTS期間，直流電源VS經開關直接輸出，二極管承受反向電壓而截止，流經二極管的電流iD=0，電源電流iS經開關T流入電感負載，電感電流iL逐漸上升至iS，變換器的輸出電壓VEO=VS。電感負載兩端的電壓存在如下關系：

在開關T阻斷的Toff=(1-D)TS期間，電路的負載與電源脫離。由于電感電流iL并不能立即降為0，期間iL經負載和二極管續流，二極管也因此被稱作續流二極管。

在整個開關阻斷的Toff期間，電感電流iL經二極管環流，若阻斷時間足夠短，則二極管一直處于導通狀態。

整個周期中輸出電壓的直流平均值為：

1.2 仿真建模與驗證分析

圖2為依據圖1的電路原理，通過OrCADPspice電路仿真軟件，對BUCK變換器進行的仿真模擬。圖1中的控制開關通過場效應管（MOSFET）實現。將電壓探頭放置在對應位置，即可測量變換器的輸出電壓。在OrCADPspice仿真軟件中，可以變更導通比、開關頻率等參量，并在同一幅圖像中顯示不同參量對應的輸出電壓波形曲線，觀察參量變化對輸出電壓造成的影響。

為了驗證降壓變換器的輸出電壓與導通比的關系，將導通比設置為0.1，0.2，……，0.9這9個數值，觀察電壓波形曲線的變化關系，如圖3所示。從圖3顯示的波形曲線中可以清晰地發現，當輸出電壓值趨于穩定(t=3.0ms)之后，電壓值與導通比呈正比關系。線路通電后，由于電感電流需要一段時間才能增加到iS，該過程對應圖3中t=3ms之前的充電期。

圖2 降壓變換器的仿真拓撲結構

圖3 不同導通比狀態下對應的輸出電壓波形

同樣的方法還可以觀察不同的開關頻率對輸出電壓造成的影響。將fS設置為 40kHz，60kHz，80kHz和 100kHz這 4 個等級，觀察不同頻率對應的電壓波形，如圖4所示。

圖4是在開關導通比不變的前提下(設D=0.5)，對應4個不同開關頻率狀態下的4條輸出電壓曲線。可以發現，變換器的輸出電壓隨著開關頻率變化，也發生微小的變化。隨著開關頻率增大，輸出電壓值略微下降。圖5是圖4中9.90—10.10ms時間段的區段放大的電壓曲線。

(三)奢泰。奢即是奢侈，泰即是過度，奢泰就是違背自然規律而走向極端過分的主觀行為。老子是辯證法大師，他看到了“物極必反”、“物壯則老”的基本規律，“物壯則老，是謂不道，不道早已”(三十章)。[3]“反者道之動，弱者道之用”(四十章)。[3]他主張適度原則，不搞極端，不搞過分，不搞奢侈，希望人們從圣人的思想中去體會立身處世的原理，做到“去甚、去奢、去泰”(二十九章)。[3]違反適度原則而走向奢泰，就會出現危險。如物質生活的過度，就會出現“五色令人目盲，五音令人耳聾，五味令人口爽”(十二章)[3]的結局。

當電壓趨于穩定后，圖3—5的電壓波形曲線趨于一條直線，但將坐標軸放大，會清晰地發現電壓波形實際為正弦曲線，圖3—5的直線反映了輸出電壓平均值。圖6顯示的是將坐標軸適當放大之后的輸出電壓波形(以圖5中80kHz的開關頻率為例)。若將圖3—5的其他波形曲線按照相應比例放大，同樣也能觀察其波形變動情況。

圖4 不同開關頻率對應的輸出電壓波形曲線

圖5 不同開關頻率對應的輸出電壓波形曲線(區段放大)

圖6 80 kHz輸出電壓波形曲線

將電壓和電流探頭放在BUCK變換器對應的位置，就可以得到圖1中電感L和電容C的兩端電壓和流入電流波形曲線，如圖7和8所示。

2 BOOST變換器

2.1 電路結構與原理

圖9是BOOST變換器的電路原理圖。

為了獲得高于電源電壓VS的直流輸出電壓Vo，在BOOST變換器開關前段插入電感L，在開關T阻斷時，利用電感線圈L在電流變小過程中產生的反向電動勢，與電源電壓串聯，共同作用于負載。這樣，負載就可以獲得高于電源電壓的輸出電壓Vo。

圖7 電感L的電壓、電流波形曲線

圖8 電容C的電壓、電流波形曲線

圖9 BOOST變換器的電路結構

在開關導通的Ton=DTS期間，開關T導通，二極管D截止，電源電壓VS作用于升壓電感L上，電感電流iL線性增長，且滿足：

當t=Ton=DTS時，iL達到最大值iLmax。在T導通期間，iL的增量ΔiL+為：

開關導通期間，由于二極管的截止作用，負載由電容C供電。若電容C的容量足夠大，可使Vo變化很小。

在開關阻斷的Toff=(1-D)TS期間，開關阻斷，二極管導通，這時，iL和電源共同通過二極管作用于輸出端負載和電容C，電容C處于充電狀態。此時作用于電感L的電壓為VS-Vo。由于Vo大于VS，故iL線性減小，存在以下關系：

經過完整的開關阻斷期間后，iL達到最小值iLmin。在開關阻斷期間，iL的減小量ΔiL-為：

穩態工作時，開關導通期間的電感電流增量ΔiL+等于開關阻斷期間的減少量ΔiL-，即ΔiL+=ΔiL-，因此輸出電壓Vo為：

2.2 仿真建模與驗證分析

圖10為依據圖9的電路原理，通過OrCADPspice電路仿真軟件，對升壓變換器進行的仿真模擬。圖9中的控制開關也通過場效應管實現。將電壓探頭放置在對應的位置，即可測量變換器的輸出電壓。在升壓變換器的仿真模擬過程中，也通過變更導通比、開關頻率等參量，并在同一幅圖像中顯示不同參量對應的輸出電壓波形曲線，觀察參量變化對輸出電壓造成的影響。

圖10 BOOST變換器的仿真拓撲結構

為了驗證升壓變換器的輸出電壓與導通比的關系，將導通比設置為0.1，0.2，……，0.7這7個數值，觀察電壓波形曲線的變化關系，如圖11所示。

圖11 不同導通比(0.1-0.7)狀態下對應的輸出電壓波形

從圖11顯示的輸出電壓波形曲線中可以清晰地發現，升壓變換器的輸出電壓Vo均大于電源電壓VS。隨著導通比D的增加，輸出電壓值也隨之增大，符合升壓變換器輸出電壓與導通比之間的關系式。同降壓變換器一樣，在開關導通比不變的前提下觀察 40kHz，60kHz，80kHz，100kHz 不同開關頻率狀態下的輸出電壓曲線，和對應的坐標軸放大圖(以100kHz為例)，如圖12和13所示。