基于LTspice仿真的開關(guān)電路設(shè)計與研究

楊鼎全

摘要：當(dāng)下，開關(guān)電路在電力電子領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且得到廣泛應(yīng)用。在電路中加入開關(guān)可以有效降低甚至消除功率損耗，削弱電磁干擾，進(jìn)而使開關(guān)的頻率提升，開關(guān)電源的體積也變得更小、重量更輕、能量密度更高。該文結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)，對開關(guān)電路進(jìn)行簡單分類，同時利用LTspice仿真軟件，設(shè)計了兩種開關(guān)電路，并結(jié)合仿真圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，數(shù)據(jù)表明引入諧振的開關(guān)電路更具有優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：LTspice仿真;開關(guān)電路

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）16-0247-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 介紹

當(dāng)下電力電子裝置逐漸向高集成度和高頻化的方向發(fā)展，對于裝置內(nèi)部各元器件的功耗效率及電磁特性提出了更高的要求[1]。目前裝置的體積和重量有很大一部分被濾波電感、電容和變壓器所占有，為了適應(yīng)發(fā)展趨勢，集成電路和濾波器等逐漸實現(xiàn)小型化和輕量化，從而達(dá)到減少體積重量的目的[2]。但如果為了實現(xiàn)高頻化過度使用普通硬開關(guān)電路，則會導(dǎo)致電路本身的效率很低，并且會使開關(guān)的損耗增加，電磁干擾增大。為了解決上述問題，在電路設(shè)計過程中，引入了以諧振為主的軟開關(guān)設(shè)計方法，借以解決原有設(shè)計中開關(guān)損耗和電磁干擾的問題。此類電路稱為軟開關(guān)電路，軟開關(guān)電路與傳統(tǒng)的硬開關(guān)電路相比，將原有的濾波用電感和電容更換為諧振電感和電容，并且在電路中引入諧振技術(shù)，使得開關(guān)電路工作時電路中的電壓值先下降至零，在關(guān)閉時電流值先下降至零，這樣可以有助于減少開關(guān)電路工作中電流和電壓的相互干擾，并且可以有效限制電性能指標(biāo)的變化率，以達(dá)到降低功耗減小開關(guān)噪聲的目的，因此軟開關(guān)電路的開關(guān)頻率可以得到顯著提高[3]。

2 基于LTspice仿真的模型搭建及參數(shù)設(shè)置

本文選擇Ltspice作為仿真軟件進(jìn)行開關(guān)電路設(shè)計，該軟件占用空間小、內(nèi)含仿真元件多、易于操作、仿真速度快并且所得到的仿真波形圖更直觀[4]。本文利用Ltspice仿真軟件分別搭建普通的硬開關(guān)電路和引入諧振的軟開關(guān)電路，并對兩種電路的電壓、電流以及功率損耗波形進(jìn)行對比研究。

2.1 硬開關(guān)電路設(shè)計

普通的開關(guān)電路也叫硬開關(guān)電路，在開關(guān)過程中電壓、電流均不為零，在同一時間段內(nèi)電流和電壓有較多的重疊，電路兩端的電壓和通過元器件的電流值都很大，因此會產(chǎn)生很大的損耗。本文首先使用一個電壓源、一個MOSFET、兩個二極管、一個電感、一個電容、一個電阻和一個電壓表進(jìn)行仿真建模，為了便于具體研究，本文用BSC077N12NS3型號的MOSFET和一個二極管構(gòu)成開關(guān)電路中的開關(guān)，具體仿真模型見圖1所示。

該開關(guān)電路模型的具體參數(shù)設(shè)置為L=72[μH]，C=1000[μF]，R=2.5Ω，占空比D=0.4，開關(guān)頻率f=800kHz，輸入電壓[Uin]=15V，仿真時間t=0.01s，時間間隔1e-8s。經(jīng)計算可得如圖2所示的電壓源參數(shù)值：

2.2 引入諧振的軟開關(guān)電路設(shè)計

在硬開關(guān)電路設(shè)計基礎(chǔ)上，本文在Ltspice仿真中引入了諧振技術(shù)，增加了電感電容以及反并聯(lián)二極管。加入諧振電感和電容后，可在原有的開關(guān)電路中構(gòu)造輔助換流網(wǎng)絡(luò)，使開關(guān)開通過程中電壓和電流不同時發(fā)生變化，開通前電壓先減低至零，關(guān)斷時電流先減低至零，因此在開關(guān)過程中重疊大大減少，整個電路的損耗和開關(guān)噪聲也極大降低。本文所設(shè)計的開關(guān)電路為零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路，即開關(guān)中的電壓在開關(guān)開通前先降為零，該開關(guān)電路仿真模型見圖3所示。

除了增加了一個諧振電感Lr=1.2[μH]，諧振電容Cr=10.5nF，其他參數(shù)設(shè)置和硬開關(guān)電路相同。

對于引入諧振的開關(guān)電路來說，首先要用公式驗證該電路能否滿足成為軟開關(guān)電路的條件，只有成為軟開關(guān)電路，才能有效減小開關(guān)損耗。具體的驗證公式如下：

[uCrt=LrCrILsinωrt-t1+Ui]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中[ωr=1LrCr]，[t1≤t≤t4]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

最終可得零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路實現(xiàn)軟開關(guān)的條件：

[LrCrIL]≥[Ui]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

如果正弦項的幅值小于[Ui]，[uCr]就不可能諧振到零，開關(guān)就不可能實現(xiàn)零電壓開通，也就不能有效減小開關(guān)損耗。

2.3 開關(guān)電路重要參數(shù)

在完成兩種開關(guān)電路仿真模型設(shè)計后，可以通過計算得出已知模型的評判結(jié)果，其中對于開關(guān)電路的主要考量參數(shù)包括功率損耗和開關(guān)損耗。

要計算開關(guān)電路的功率損耗，首先要計算輸出電壓，也就是開關(guān)兩端的電壓，即用圖3中的輸入電壓V1的值減去電壓表V2所測的值。輸出電壓[UO]的計算公式如下：

[UO=U1-U2=Un001-U（n002）]? ? ? ? ? ?（4）

開關(guān)損耗是衡量一個開關(guān)電路好壞的標(biāo)準(zhǔn)，其計算方法是用輸出電壓[UO]乘以流過開關(guān)的電流[Id]。開關(guān)損耗P的計算公式如下：

P[=UO×I=（U1-U2）×Id]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

3 兩種開關(guān)電路的仿真結(jié)果對比

使用LTspice仿真軟件對設(shè)計的兩種開關(guān)電路模型進(jìn)行仿真計算，具體結(jié)果如下。

3.1 硬開關(guān)電路

由圖4，圖5可知，普通開關(guān)電路在開關(guān)過程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，因此有顯著的開關(guān)損耗。

3.2 引入諧振的軟開關(guān)電路

對于軟開關(guān)電路，首先驗證實現(xiàn)軟開關(guān)的條件。從圖6中可看出穩(wěn)定時的[IL]≥2.0A，根據(jù)公式（3）可計算得出[LrCrIL≥21.38≥15=Uin]，因此諧振電容兩端的電壓可諧振至0，電路可實現(xiàn)零電壓開通。

由圖6、圖7可知，在仿真過程中通過引入諧振設(shè)計的軟開

關(guān)電路，可以有效減少電壓電流重疊，其功率損耗也極大減小，由最高32W降低至4W左右。雖然此時諧振電壓的峰值高于輸入電壓的2倍，開關(guān)的耐壓必須相對提高，但該設(shè)計有效提升了開關(guān)電路的效率，能否滿足當(dāng)前電力電子設(shè)備的使用要求。

4 總結(jié)

本文基于LTspice仿真軟件設(shè)計了兩種開關(guān)電路，通過仿真對比可知，引入諧振的軟開關(guān)電路可以消除電壓電流在開關(guān)工作中的重疊，并且可以極大降低功率損耗，減少開關(guān)噪聲，雖然需要相對高的耐壓水平，但該電路能夠適應(yīng)目前電力電子設(shè)備的使用條件，滿足電力電子設(shè)備向小型化和輕量化發(fā)展的主流趨勢，所以引入諧振的開關(guān)電路更具有優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 石黃霞，何穎，董曉紅.電力電子軟開關(guān)技術(shù)綜述[J].微處理機(jī)，2013，34（4）：1-6.

[4] 于飛，劉麗娜.軟開關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用仿真分析[J].電子測量技術(shù)，2020，43（6）：21-26.

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