基于Proteus 軟件的直流變換電路分析研究

譚陽

（重慶電力高等?？茖W(xué)校電氣工程學(xué)院，重慶，450053）

0 引言

在電力電子技術(shù)中，直流變換電路的功能是將直流電變成另一固定電壓或者可調(diào)電壓的直流電，也稱斬波電路[1]。直流變換電路應(yīng)用非常廣泛，包括直流電動機(jī)傳動、開關(guān)電源、有源功率因數(shù)校正，以及用于其他領(lǐng)域的交直流電源[2]。降壓斬波電路和升壓斬波電路是直流變換電路中最常用的兩種電路。

Proteus 軟件是英國Lab Center Electronics 公司開發(fā)的EDA 工具軟件，其強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)、仿真和PCB 制版功能，深受廣大電子設(shè)計(jì)愛好者青睞。本文運(yùn)用Proteus 軟件搭建降壓斬波電路和升壓斬波電路模型，通過改變電路的元件類型和參數(shù)，既可視化分析了電路的輸出電壓波形，又動態(tài)測試了元件參數(shù)對電路輸出電壓的影響，為具體工程應(yīng)用提供了一種非常方便的新方法。

1 基本斬波器的工作原理

最基本的直流斬波電路如圖1(a)所示，負(fù)載為純電阻R。當(dāng)開關(guān)T 閉合時(shí)，負(fù)載電壓u o=Ud，并持續(xù)時(shí)間ton稱為開通時(shí)間；當(dāng)開關(guān)T 斷開時(shí)，負(fù)載上電壓uo= 0，并持續(xù)時(shí)間toff稱為關(guān)斷時(shí)間。斬波電路的工作周期為TS=ton+toff，斬波器的輸出電壓電流波形如圖1(b)所示。

圖1 基本斬波器的工作原理

只要調(diào)節(jié)k，即可調(diào)節(jié)負(fù)載的平均電壓。占空比k的改變可以通過改變ton或toff來實(shí)現(xiàn)，通常斬波器的工作方式采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，縮寫為PWM）工作方式，即維持周期T不變，改變導(dǎo)通時(shí)間ton[3～4]。

2 降壓斬波電路Proteus 仿真分析

降壓斬波電路仿真電路如圖2 所示，圖中開關(guān)管采用絕緣柵場效應(yīng)管2SK1058，續(xù)流二極管采用肖特基極二極管12TQ045。圖中R2、R3和Q2構(gòu)成簡單的電壓驅(qū)動電路，進(jìn)行倒相放大；C1、D2構(gòu)成自舉電路，形成驅(qū)動電路的工作電源，以保證功率開關(guān)管獲得足夠的控制電壓而飽和導(dǎo)通，提高電源效率。

圖2 降壓斬波電路原理圖

輸入電壓Ui=24V，激勵(lì)源選用Pulse 脈沖工作方式，邊際脈沖P 電壓為6V，工作頻率為2kHz，脈沖寬度為k′=25%，經(jīng)過倒相，實(shí)際輸出脈沖寬度125μs，占空比k為75%。在Proteus 軟件圖表模式中調(diào)出瞬態(tài)仿真模式，將電壓探針Q1(S)和電流探針L1(2)拖入圖表，靜態(tài)仿真測試如圖3 所示。

圖3 降壓斬波電路不接濾波電容時(shí)輸出電流波形

■2.1 不接濾波電容的情況

在圖2 降壓斬波電路中斷開C2，按空格鍵進(jìn)行圖表仿真，改變控制信號P 的頻率和占空比，重復(fù)測試輸出波形，可以發(fā)現(xiàn)電流波形是一個(gè)指數(shù)特性波形，當(dāng)放電時(shí)間小于時(shí)間常數(shù)τ=L/R=83μs 時(shí)，波形連續(xù)。若占空比為k=50%，放電時(shí)間0.25ms 是時(shí)間常數(shù)τ 的3 倍，電流波形臨界連續(xù)，如圖3(a)；若占空比為k=10%，放電時(shí)間0.450ms 是時(shí)間常數(shù)τ 的5.4 倍，電流波形斷續(xù)，如圖3(b)。當(dāng)放電時(shí)間遠(yuǎn)大于時(shí)間常數(shù)τ 時(shí)，波形斷續(xù)。測試表明輸出電壓脈動情況與時(shí)間常數(shù)τ=L/R 的值有關(guān)，如果時(shí)間常數(shù)τ＞＞T（脈沖周期），則電流基本為一條直線。

■2.2 接濾波電容的情況

在圖2 降壓斬波電路中連接C2，重復(fù)上述測試，則輸出電壓脈動減小，當(dāng)電容的濾波效應(yīng)大于電感時(shí)，輸出電壓公式計(jì)算有較大誤差，原因是電容的儲能作用使輸出電壓提高，但是電源的外特性變差。表1 為降壓斬波電路接濾波電容時(shí)不同占空比的輸出電壓測量值和計(jì)算值。如圖4(a)～(b)所示為降壓斬波電路接濾波電容時(shí)不同占空比的電流波形。

表1 降壓斬波電路接濾波電容時(shí)的輸出電壓測量值和計(jì)算值

圖4 降壓斬波電路接入濾波電容時(shí)輸出電流波形

測試表明，在接入濾波電容時(shí)輸出電壓會有所提高，電路極容易振蕩，導(dǎo)致?lián)p耗增大，效率下降，所以一般開關(guān)電源使用平滑濾波電容時(shí)容量不能太大。合理計(jì)算濾波電感保證輸出電壓的穩(wěn)定非常重要。

圖5是時(shí)間常數(shù)τ遠(yuǎn)大于控制脈沖周期T時(shí)的電流波形。表2 為降壓斬波電路時(shí)間常數(shù)τ＞＞控制脈沖周期T 時(shí)不同占空比的輸出電壓計(jì)算值和測量值。

表2 降壓斬波電路τ＞＞T時(shí)不同占空比的輸出電壓計(jì)算值和測量值

圖5 降壓斬波電路τ＞＞T 時(shí)不同占空比輸出電流波形

測試電壓與理論值對比存在誤差，這是由于開關(guān)管管壓降存在損耗，導(dǎo)致輸出電壓降低。因此，選擇具有低管壓降的開關(guān)管及續(xù)流二極管非常重要。

3 升壓斬波電路Proteus 仿真分析

如圖6(a)所示為升壓斬波電路仿真原理圖。該電路當(dāng)中的開關(guān)管Q1選用IRF1407 或2SK1058 兩種型號，開關(guān)二極管D1選用10TQ045S 或1N4148 兩種型號；設(shè)置電感L1=100mH，電容C1=1000μF；直流激勵(lì)源Ui參數(shù)編輯為5V；脈沖激勵(lì)源U(G) 的頻率Uf=1kHz，占空比k=0.5(50%)，電壓探針R1(1)用于測試輸出電壓，電壓探針L1(2)用于測試開關(guān)管Q1 兩端的電壓變化；模擬圖表（ANALOGUE ANALYSIS）用于觀察開關(guān)管和輸出電壓波形。

圖6 升壓斬波電路開關(guān)管為IRF1407 時(shí)的仿真測試和輸出電壓波形

當(dāng)開關(guān)管選用IRF1407，U(G)=5V，占空比k=0.5 時(shí)，動態(tài)仿真運(yùn)行觀察升壓斬波器輸出電壓波形，測試輸出電壓平均值，如圖6(a)所示。

測試表明輸出電壓為8.67V，高于輸入電壓，但與理論計(jì)算值10V 比較有較大誤差，需要分析產(chǎn)生誤差的原因。該電路導(dǎo)致輸出電壓下降的主要原因有以下幾種情況：

（1）開關(guān)元件的性能不良

將圖6 中的開關(guān)管IRF1407 替換為2SK1058 型號的管子，重新測試，輸出電壓波形如圖7 所示。

圖7 升壓斬波電路開關(guān)管為2SK1058 時(shí)的仿真測試和輸出電壓波形

與圖6 比較，可以發(fā)現(xiàn)采用2SK1058 后輸出電壓下降，觀察波形幅度由前圖的10V，下降為現(xiàn)在的7V，存在有1.5V的導(dǎo)通電壓降。由于兩個(gè)管子特性不同，在相同的驅(qū)動下，其管壓降不同，導(dǎo)致輸出電壓不同。開關(guān)管導(dǎo)通電壓降增加了電路的損耗，從而降低了效率，也減小可靠性。

（2）驅(qū)動電壓不足將導(dǎo)致輸出電壓下降

將圖7 中的脈沖電源的幅度提高到8V，重復(fù)上述仿真，升壓斬波電路測試波形如圖8 所示。在驅(qū)動電壓提高后，輸出電壓提高到8.24V，觀察波形幅度達(dá)到8.5V，導(dǎo)通壓降減小到0.9V 左右。

圖8 Q1 為2SK1058 型號U(G)=8V 時(shí)的仿真測試和輸出電壓波形

（3）電感參數(shù)設(shè)置不合理

將圖8 中的電感量改為10mH，升壓斬波電路測試輸出波形如圖9 所示。

圖9 開關(guān)管為2SK1058 型號，L1=10mH 時(shí)的仿真測試和輸出電壓波形

圖10 采用肖特基二極管的仿真測試和輸出電壓波形

圖11 開關(guān)頻率為10kHz 時(shí)的仿真測試和輸出電壓波形

與圖8 比較，輸出電壓略有下降，觀察輸出電壓波形發(fā)現(xiàn)，由于電感減小，要儲存相同的能量，需要的電流增大，管壓降增大，導(dǎo)致輸出波形底部變斜，從而損耗增大。

（4）開關(guān)二極管的選擇不合理

開關(guān)二極管改為肖特基二極管（10TQ045S）可以減小該電路損耗，提高輸出電壓，U0=9.32～9.799V，平均值為9.56V，如圖10 所示。

（5）開關(guān)頻率太低

將Q1 開關(guān)頻率從1kHz 提高到10kHz，輸出電壓波形變得平滑，峰值電壓為10V，輸出電壓提高到9.73V，如圖11(a)所示。由此說明，增大開關(guān)頻率可以降低輸出電壓波動，從而提高輸出電壓。

4 總結(jié)

通過Proteus 軟件仿真研究表明，當(dāng)降壓斬波電路滿足時(shí)間常數(shù)τ 大于控制脈沖周期T 時(shí)，輸出電壓波動小，質(zhì)量高，其輸出電壓值基本與理論公式吻合。開關(guān)器件的靜態(tài)和動態(tài)性能、電路的內(nèi)阻決定斬波電路輸出電壓的誤差大小。斬波電路的開關(guān)頻率越高，需要的平波電抗器電感量越小，體積、重量都會減小。由于τ 值與負(fù)載有關(guān)，因此，在設(shè)計(jì)平波電抗器時(shí)需要按照最小值τ和開關(guān)頻率計(jì)算電感量。目前，斬波電路的開關(guān)頻率一般考慮20kHz 以上，以減小開關(guān)噪聲對維護(hù)人員的危害。通過上述分析表明，降壓斬波電路和升壓變換電路一樣，由于器件的管壓降，驅(qū)動電壓的不足，電感、電容的參數(shù)和開關(guān)頻率的參數(shù)不合理均可能導(dǎo)致輸出電壓下降。