BUCK/BOOST直流變換器的建模仿真驗(yàn)證

王 釗，馬叢淦，宋振輝

(國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031)

0 引言

直流變換器可以對(duì)直流電壓進(jìn)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(guān)元件在電力仿真中有廣泛的應(yīng)用。

下面主要介紹這2種直流變換器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理，并通過(guò)OrCADPspice電路仿真軟件進(jìn)行建模與仿真驗(yàn)證，相關(guān)方法可為實(shí)際電力系統(tǒng)中直流/直流變換、交/直/交變換元件仿真提供依據(jù)和參考。

1 BUCK變換器

1.1 電路結(jié)構(gòu)與原理

圖1是BUCK變換器的電路原理圖。開(kāi)關(guān)T和二極管D構(gòu)成了最基本的開(kāi)關(guān)型直流/直流降壓變換電路。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)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(fù)載。

圖1 BUCK變換器的電路結(jié)構(gòu)

在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的Ton=DTS期間，直流電源VS經(jīng)開(kāi)關(guān)直接輸出，二極管承受反向電壓而截止，流經(jīng)二極管的電流iD=0，電源電流iS經(jīng)開(kāi)關(guān)T流入電感負(fù)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(fù)載兩端的電壓存在如下關(guān)系：

在開(kāi)關(guān)T阻斷的Toff=(1-D)TS期間，電路的負(fù)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(jīng)負(fù)載和二極管續(xù)流，二極管也因此被稱作續(xù)流二極管。

在整個(gè)開(kāi)關(guān)阻斷的Toff期間，電感電流iL經(jīng)二極管環(huán)流，若阻斷時(shí)間足夠短，則二極管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。

整個(gè)周期中輸出電壓的直流平均值為：

1.2 仿真建模與驗(yàn)證分析

圖2為依據(jù)圖1的電路原理，通過(guò)OrCADPspice電路仿真軟件，對(duì)BUCK變換器進(jìn)行的仿真模擬。圖1中的控制開(kāi)關(guān)通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）實(shí)現(xiàn)。將電壓探頭放置在對(duì)應(yīng)位置，即可測(cè)量變換器的輸出電壓。在OrCADPspice仿真軟件中，可以變更導(dǎo)通比、開(kāi)關(guān)頻率等參量，并在同一幅圖像中顯示不同參量對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形曲線，觀察參量變化對(duì)輸出電壓造成的影響。

為了驗(yàn)證降壓變換器的輸出電壓與導(dǎo)通比的關(guān)系，將導(dǎo)通比設(shè)置為0.1，0.2，……，0.9這9個(gè)數(shù)值，觀察電壓波形曲線的變化關(guān)系，如圖3所示。從圖3顯示的波形曲線中可以清晰地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸出電壓值趨于穩(wěn)定(t=3.0ms)之后，電壓值與導(dǎo)通比呈正比關(guān)系。線路通電后，由于電感電流需要一段時(shí)間才能增加到iS，該過(guò)程對(duì)應(yīng)圖3中t=3ms之前的充電期。

圖2 降壓變換器的仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 不同導(dǎo)通比狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形

同樣的方法還可以觀察不同的開(kāi)關(guān)頻率對(duì)輸出電壓造成的影響。將fS設(shè)置為 40kHz，60kHz，80kHz和 100kHz這 4 個(gè)等級(jí)，觀察不同頻率對(duì)應(yīng)的電壓波形，如圖4所示。

圖4是在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通比不變的前提下(設(shè)D=0.5)，對(duì)應(yīng)4個(gè)不同開(kāi)關(guān)頻率狀態(tài)下的4條輸出電壓曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，變換器的輸出電壓隨著開(kāi)關(guān)頻率變化，也發(fā)生微小的變化。隨著開(kāi)關(guān)頻率增大，輸出電壓值略微下降。圖5是圖4中9.90—10.10ms時(shí)間段的區(qū)段放大的電壓曲線。

(三)奢泰。奢即是奢侈，泰即是過(guò)度，奢泰就是違背自然規(guī)律而走向極端過(guò)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(guī)律，“物壯則老，是謂不道，不道早已”(三十章)。[3]“反者道之動(dòng)，弱者道之用”(四十章)。[3]他主張適度原則，不搞極端，不搞過(guò)分，不搞奢侈，希望人們從圣人的思想中去體會(huì)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(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。如物質(zhì)生活的過(guò)度，就會(huì)出現(xiàn)“五色令人目盲，五音令人耳聾，五味令人口爽”(十二章)[3]的結(jié)局。

當(dāng)電壓趨于穩(wěn)定后，圖3—5的電壓波形曲線趨于一條直線，但將坐標(biāo)軸放大，會(huì)清晰地發(fā)現(xiàn)電壓波形實(shí)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(biāo)軸適當(dāng)放大之后的輸出電壓波形(以圖5中80kHz的開(kāi)關(guān)頻率為例)。若將圖3—5的其他波形曲線按照相應(yīng)比例放大，同樣也能觀察其波形變動(dòng)情況。

圖4 不同開(kāi)關(guān)頻率對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形曲線

圖5 不同開(kāi)關(guān)頻率對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形曲線(區(qū)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(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)前段插入電感L，在開(kāi)關(guān)T阻斷時(shí)，利用電感線圈L在電流變小過(guò)程中產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，與電源電壓串聯(lián)，共同作用于負(fù)載。這樣，負(fù)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(jié)構(gòu)

在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的Ton=DTS期間，開(kāi)關(guān)T導(dǎo)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(zhǎng)，且滿足：

當(dāng)t=Ton=DTS時(shí)，iL達(dá)到最大值iLmax。在T導(dǎo)通期間，iL的增量ΔiL+為：

開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，由于二極管的截止作用，負(fù)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(kāi)關(guān)阻斷的Toff=(1-D)TS期間，開(kāi)關(guān)阻斷，二極管導(dǎo)通，這時(shí)，iL和電源共同通過(guò)二極管作用于輸出端負(fù)載和電容C，電容C處于充電狀態(tài)。此時(shí)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(guān)系：

經(jīng)過(guò)完整的開(kāi)關(guān)阻斷期間后，iL達(dá)到最小值iLmin。在開(kāi)關(guān)阻斷期間，iL的減小量ΔiL-為：

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間的電感電流增量ΔiL+等于開(kāi)關(guān)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(yàn)證分析

圖10為依據(jù)圖9的電路原理，通過(guò)OrCADPspice電路仿真軟件，對(duì)升壓變換器進(jìn)行的仿真模擬。圖9中的控制開(kāi)關(guān)也通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)。將電壓探頭放置在對(duì)應(yīng)的位置，即可測(cè)量變換器的輸出電壓。在升壓變換器的仿真模擬過(guò)程中，也通過(guò)變更導(dǎo)通比、開(kāi)關(guān)頻率等參量，并在同一幅圖像中顯示不同參量對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形曲線，觀察參量變化對(duì)輸出電壓造成的影響。

圖10 BOOST變換器的仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證升壓變換器的輸出電壓與導(dǎo)通比的關(guān)系，將導(dǎo)通比設(shè)置為0.1，0.2，……，0.7這7個(gè)數(shù)值，觀察電壓波形曲線的變化關(guān)系，如圖11所示。

圖11 不同導(dǎo)通比(0.1-0.7)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)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(fā)現(xiàn)，升壓變換器的輸出電壓Vo均大于電源電壓VS。隨著導(dǎo)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(dǎo)通比之間的關(guān)系式。同降壓變換器一樣，在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通比不變的前提 下 觀 察 40kHz，60kHz，80kHz，100kHz 不同開(kāi)關(guān)頻率狀態(tài)下的輸出電壓曲線，和對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸放大圖(以100kHz為例)，如圖12和13所示。

圖12 不同開(kāi)關(guān)頻率對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形曲線

圖12是不同開(kāi)關(guān)頻率對(duì)應(yīng)的輸出電壓曲線。同降壓變換器一樣，隨著開(kāi)關(guān)頻率增大輸出電壓略微下降。最上方的電壓曲線對(duì)應(yīng)40kHz的開(kāi)關(guān)頻率，最下方的電壓曲線對(duì)應(yīng)100kHz的開(kāi)關(guān)頻率。如果將坐標(biāo)軸適當(dāng)放大，也能清晰地觀察到實(shí)際電壓變化波形曲線(以100kHz開(kāi)關(guān)頻率為例)，如圖13所示。

將電壓和電流探頭放在對(duì)應(yīng)的位置，即可得到圖9中電感L和電容C的兩端電壓和流入電流波形曲線，如圖14和15所示。

圖13 輸出電壓波形曲線

圖14 電感L的電壓、電流波形曲線

圖15 電容C的電壓、電流波形曲線

3 結(jié)論

對(duì)BUCK和BOOST變換器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行分析，并通過(guò)仿真建模的手段驗(yàn)證了模型和原理的準(zhǔn)確性。同時(shí)，還分析了不同開(kāi)關(guān)頻率對(duì)輸出電壓造成的影響，對(duì)這2種最為基本的直流變換器有了清晰和直觀的認(rèn)識(shí)，為電力系統(tǒng)中研究直流變換器電路特性提供新的手段。

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