基于Saber的反激式開關(guān)電源的仿真研究

陳 青，熊 蒙

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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基于Saber的反激式開關(guān)電源的仿真研究

陳 青，熊 蒙

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

反激式開關(guān)電源因成本低、外圍元器件少、可寬電壓范圍輸入能耗小、支持多組輸出而備受歡迎，但因輸出電壓紋波大而嚴(yán)重影響其工作性能。從反激式開關(guān)電源的工作原理出發(fā)，采用反激式開關(guān)電源輸出端增加輸出濾波電路的方法，解決反激式開關(guān)電源輸出電壓紋波大的問題。運(yùn)用Saber仿真軟件分別對(duì)普通反激式開關(guān)電源和增加 輸出濾波電路的反激式開關(guān)電源進(jìn)行建模和仿真。試驗(yàn)仿真對(duì)比表明，通過該方法可改善反激式開關(guān)電源的輸出電壓紋波，提高了反激式開關(guān)電源的工作性能。

反激式開關(guān)電源；Saber；濾波電路

CHEN Qing, XIONG Meng

(School of Optical-Electrical & Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，小型化、薄型、高頻、低噪聲以及高可靠性成為開關(guān)電源的主流發(fā)展方向[1]。PSPICE、MATLAB 等各具特色的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件的出現(xiàn)，改變了以定量分析、傳統(tǒng)的電路實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的電路設(shè)計(jì)分析方法，大幅提高了電路設(shè)計(jì)的效率[2-3]。

Saber仿真軟件是美國(guó)Synopsys公司的一款EDA軟件，是多領(lǐng)域、多技術(shù)的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品，現(xiàn)已成為混合技術(shù)設(shè)計(jì)、混合信號(hào)和驗(yàn)證工具的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，可用于電力電子、電子機(jī)械機(jī)、電一體化、光電控制等不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真，為復(fù)雜的混合信號(hào)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的混合信號(hào)仿真器，兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，可解決從系統(tǒng)開發(fā)到設(shè)計(jì)驗(yàn)證等一系列問題。在Saber中建立模型，可仿真分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可能遇到的問題，對(duì)于降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)費(fèi)用，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期具有重要作用[4]。

在反激式變換器中，輸出端存在著較大的紋波電壓[5]。這一問題可通過增大濾波電容或在輸出端增加 濾波電路解決。通過增大濾波電容能很好地滿足紋波要求，但由于電路設(shè)計(jì)成本高或普通電容電流指標(biāo)無法滿足要求。為獲得較小的紋波電壓，本文提出在反激式開關(guān)電源的輸出端增加一個(gè) 濾波電路，使輸出的電壓紋波得到改善，并通過Saber軟件建模仿真，驗(yàn)證其適用性。

1 反激式開關(guān)電源的工作原理及模式

1.1 反激式開關(guān)電源的工作原理

反激式開關(guān)電源的基本電路主要由輸入電壓源、變壓器、功率開關(guān)管、整流二極管和輸出濾波電容、負(fù)載組成[6]，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 反激式開關(guān)電源基本電路

當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，加正向脈沖VT導(dǎo)通，輸入電壓加在變壓器的一次繞組L1上，初級(jí)繞組L1相當(dāng)于電感，開始儲(chǔ)存能量。因變壓器一二次級(jí)繞組同名端相反，所以二極管D2反向而截止，二次側(cè)無電流流動(dòng)，負(fù)載由儲(chǔ)能濾波電容C的放電而提供電能。

當(dāng)VT截止時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖下降為零VT截止，變壓器二次感應(yīng)電壓使二極管D2導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)電流逐漸降到零，線圈釋放儲(chǔ)存能量，耦合到變壓器的二次側(cè)，從而給C充電，同時(shí)給負(fù)載R提供輸出電流。

1.2 反激式開關(guān)電源的工作模式

反激式開關(guān)電源根據(jù)功率開關(guān)管的輸入波形的不同占空比，可將工作模式分為3種：連續(xù)工作模式(CCM)、臨界連續(xù)模式(BCM)和斷續(xù)工作模式(DCM)[7-8]。

CCM模式

(1)

DCM模式

(2)

占空比

(3)

式(1)～式(3)中，Uo為負(fù)載電壓；Uin為輸入直流電壓；Io為輸入電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值；N為變壓器的變比；Ts為開關(guān)管的開關(guān)周期；Ton為開關(guān)管的開通時(shí)間；L1為變壓器原邊的電感。

2 反激式開關(guān)電源的濾波設(shè)計(jì)

反激式開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，通過增大輸出濾波電容Co或者增加LC濾波電路，可有效改善紋波過大的問題。

圖2 反激式開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 加大輸出濾波電容Co

在不考慮電容ESR的情況下，將輸出濾波電容Co的容值增n倍，輸出紋波則對(duì)應(yīng)降低n倍。一般情況下，可通過調(diào)整Co的大小滿足任何需要的紋波要求。然而在某些情況下，無法通過調(diào)整Co的大小獲得需要的輸出紋波例如，滿足需要的紋波時(shí)，需要的Co過大，成本和體積不允許；在接近短路運(yùn)行時(shí)，普通電容的電流指標(biāo)不能滿足要求；逆變系統(tǒng)不允許過大的Co存在。因此，常在輸出端增加LC濾波電路來減小紋波的脈動(dòng)[9-10]。

2.2 增加一級(jí) 濾波

LC濾波電路如圖3所示。

圖3 濾波電路

3 濾波電路在Saber的建模與仿真

3.1 模型的建立

本文利用Saber軟件，搭建了反激式開關(guān)電源電路模型，并進(jìn)行了仿真。帶輸出LC濾波的反激開關(guān)電源的模型如圖4所示。

圖4 帶輸出濾波的反激開關(guān)電源的模型

3.2 仿真結(jié)果與分析

上述反激式開關(guān)電源的輸入電壓為 375 V,開關(guān)管采用spw11n60s5，開關(guān)頻率為50 kHz，期望得到的輸出電壓為DC20 V。圖5是普通反激式開關(guān)電源電路輸出電壓及輸出紋波電壓的波形圖。圖6是帶有LC輸出濾波電路的反激式開關(guān)電路輸出電壓及輸出紋波電壓的波形圖。由圖5和圖6可知，帶有LC輸出濾波電路的反激式開關(guān)電路的輸出電壓更加平穩(wěn)，尖峰電壓減小，輸出紋波得到改善，輸出電壓穩(wěn)定保持在20 V,達(dá)到了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求。

圖5 普通反激式開關(guān)電源輸出電壓波形

圖6 帶輸出濾波反激式開關(guān)電源輸出電壓波形

4 結(jié)束語

本文分析了反激式開關(guān)電源的工作原理，提出了兩種低成本的減小輸出電壓紋波方法，即通過在反激變換器中增大輸出濾波電容的容值，或在電路的輸出端增加一個(gè)LC濾波電路。利用Saber仿真軟件對(duì)普通反激式開關(guān)電源、帶有輸出濾波電路的反激式開關(guān)電源進(jìn)行了建模和仿真，仿真結(jié)果對(duì)比表明，在輸出端增加LC濾波電路，不僅成本低、功耗小，還可有效改善反激式開關(guān)電源的輸出電壓紋波，為實(shí)際電路設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

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Analysis and Simulation of Flyback Switch Power Based on Saber

Due to the low cost, less peripheral components, wide voltage range input, low energy consumption, and support for multiple outputs, the flyback power switch is very popular, but the output voltage ripple seriously affects its performance. We add an LC filter circuit in the output thus obtaining a small output voltage ripple and good performance. Simulation results show that the output increase of LC filter circuit is effectively improved by our method.

flyback switch power; Saber; filter circuit

2016- 01- 11

863計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2012AA050206)；上海自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12ZR1420800)；上海理工大學(xué)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目培育課題(201621)

陳青(1962-)，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。熊蒙(1990-)，女，碩士研究生。研究方向：電氣工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.004

TN256

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1007-7820(2016)10-012-03