基于PSIM 的Sepic 變換器的設計與仿真研究

李曉淞，黃茜

（遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島，125000）

0 引言

DC-DC 變換器在日常生活中應用范圍非常廣泛，無論是常見的手機充電器，電腦電源，還是汽車充電樁都應用了該變換器。

而Sepic 變換器是DC-DC 變換器中的一種常見升降壓變換器，其具有升降電壓的功能，它能保證正壓輸出，及其輸入輸出同極性，并可進行輸入輸出的隔離。目前，它已經被應用于大量的電氣工程領域，比如我國許多新能源發(fā)電設備中都應用了Sepic 變換器，如光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]。本文將對簡易的Sepic 電路設置參數，對應用PSIM 軟件對其進行仿真分析，研究該電路不僅能加深理論基礎，更能為工程實踐提供指導作用。

1 Sepic 電路設計與原理

Sepic 變換器具有諸如主電路，驅動電路，保護電路等，而在其中實現(xiàn)對直流電壓升降壓功能的是主電路，而控制電路則在仿真中以門極觸發(fā)信號代替，其余檢測電路等對影響實驗結果較小，因此本文電路設計與原理和仿真部分主要只對主電路進行研究。

■1.1 Sepic 主電路圖

主電路由直流電源(E)，MOSFET(VT)，濾波電容(C1,C2)，二極管VD，儲能電感(L1,L2)和負載電阻R 構成如圖1 所示。

圖1 Speic 主電路圖

■1.2 Sepic 電路拓撲結構拆分

Sepic 升降壓電路的拓撲結構是根據Boost 升壓斬波電路和Buck 降壓斬波電路組合而成，因而具有升降壓功能，根據其輸入電流連續(xù)輸出電流不連續(xù)的特點，以及Buck 和Boost 電路的結構特點對其進行拆分，即輸入端直接串聯(lián)電感，以此保持電感電流連續(xù)，輸出端負載不與電感串聯(lián)，即輸出端不連續(xù)。

選取Boost 電路的輸入部分如圖2 與Buck 電路的輸出部分如圖3 進行組合，中間部分采用電容（圖1 中C1）進行級聯(lián)，再調整一下Buck 電路部分的元件位置(圖4 中VD與L) 就構成了Sepic電路。

圖2 Boost 電路輸入電流連續(xù)部分

圖3 Buck 電路輸電流不連續(xù)部分

圖4 調整后的Buck 電路

圖5 基于PSIM 的Sepic 仿真電路

■1.3 Sepic 電路模態(tài)分析

（1）VT 導通時：此時E-L1-VT，C1-VT-L2形成兩個回路，電源E 向電感L1進行充電，同時電容C1放電向電感L2進行充電，此時二極管VD 不導通，負載部分C2向電阻R 放電。

（2）VT 處于關斷狀態(tài)時，此時E-L1-C1-VD－負載(C2-R)與L2-VD－負載(C2-R)形成兩個回路，此時電源E 和儲能電感L1 同時向負載供電，同時C1 進行充電，在下一次VT導通時C1 向L2 進行充電，重新構成C1-VT-L2 回路，而L2 向電容C2 與電阻R 進行放電。

■1.4 Sepic 電路參數設置與計算

(1)本文設置電路工作在連續(xù)工作模式下，給定參數，驗證其升降壓功能：

表1 實驗參數設定

（2）參數計算：設置MOS 管開通時間為ton，關斷時間為toff，周期為T占空比為。

針對儲能電感L1，吸收能量和釋放的能量時所處回路為E-L1-VT 與E-L1-C1-VD-C2-R，應用伏秒平衡原理得：

同理可得對于電感L2：

由上面兩式可得：

根據上述參數與公式計算其余參數（以降壓實驗為例）。

流過電阻的電流為：

根據能量守恒定則，從電源流出的穩(wěn)定電流為：

對于器件的選取對于電感的規(guī)則是，在最小輸入電壓時使得紋波電流的大小約為穩(wěn)定值得30%。

對于電容的選取規(guī)則是，在最小輸入電壓時使得紋波電壓的大小約為穩(wěn)定值得5%。

而控制MOSFET 的觸發(fā)角為：α=0.2×360=72°

同理可得降壓實驗參數為：

2 仿真

■2.1 基于PSIM 搭建Sepic 電路

本文采用PSIM 軟件對電路進行仿真，PSIM 軟件具有用戶見面友好，易于操作的特點，并且十分容易理解其中電路關系，極大程度加快了使用與實驗過程。而PSIM 仿真軟件由 PSIM 電路程序、PSIM 仿真器、SIMVIEW 波形形成過程項目組成，易于安裝、容易掌握、仿真速度快捷并且該軟件運行效率較高，對波形的展示十分優(yōu)秀，因此本文采用該軟件進行實驗[2-3]。電路中VP1 和VP2 為測量輸入與輸出電壓的電壓表，由此進行電壓波形的測量，驗證其升降壓功能，并在電路中MOS 管處加入門極觸發(fā)信號，頻率以及根據占空比設計觸發(fā)角。

■2.2 設置Sepic 電路參數

根據1.4 部分所計算的升降壓實驗的電路參數進行設置，設置仿真時間為0.01s，步長為5E-007s，設置時需注意脈沖觸發(fā)量的設置[4-5]如圖6 所示，仿真電路如圖7 與8所示。

圖6 降壓觸發(fā)脈沖參數設置

圖7 升壓電路的電路參數

圖8 降壓電路的電路參數

■2.3 設置Sepic 電路參數

開始仿真后，觀察VP1，VP2 兩個電壓表所測量的輸入輸出電壓波形如圖9 與10 所示，輸出電壓在誤差允許范圍內皆達到升降壓實驗要求，與理論分析完全一致。

圖9 升壓電路輸出波形

圖10 降壓電路輸出波形

圖11 升壓電路穩(wěn)定時輸出

圖12 降壓電路穩(wěn)定時輸出

■2.4 誤差

將兩實驗仿真輸出與理論輸出對比，輸出穩(wěn)定后，觀察發(fā)現(xiàn)升壓實驗誤差為5%左右，降壓實驗誤差約為1.6%左右。

導致誤差的原因可能有：（1）在計算電容電感選取數值時，理論計算后，對一些無限循環(huán)小數進行了近似取舍(2)電路中未加入保護電路，在電力電子期間關斷時可能會有過電壓與過電流現(xiàn)象的發(fā)生，造成誤差。

基于以上考慮，這時需要設計一適當地保護電路，主要由RCD 緩沖電路與di/dt 抑制電路構成保護電路如圖13 所示。

圖13 保護電路

在沒有緩沖電路時，V(無論是MOS 管還是IGBT)在開通時電流上升速度較快，容易產生較大的di/dt，在關斷時，則容易產生較大的du/dt，出現(xiàn)很高的過電壓。連接緩沖電路后，在V 開通時，緩沖電容Cs 會通過電阻Rs 向V 放電造成iC 上升了一個臺階，后續(xù)因為由di/dt 抑制電路的Li的原因，iC上升的速度會變緩。同時，電路中的Ri，VDi 為V關斷時的Li 中的磁場提供放電回路。V 關斷時，負載電流會有部分經VDs 向Cs 分流，大大減輕了V 的工作負擔，抑制了du/dt 和過電壓。但因為關斷V 時電路中的電感的能量還需要釋放，因此還會出現(xiàn)一定的過電壓現(xiàn)象。

■2.5 增加保護電路的改進

在Speic 電路中，以L1 同時充當Li，經查閱資料與反復調試后，設置Ri 為1kΩ，Rs 為10Ω，Cs 為40μF，電路圖如圖14 所示。

圖14 改進后的電路

再將電路進行改進后，重新進行升降壓電路的實驗，實驗結果如圖15 與圖16 所示，在新產生的波形圖中，穩(wěn)點前的波形正如2.4 中所述出現(xiàn)了一定的過電壓現(xiàn)象，并且系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間有所增長，振蕩現(xiàn)象明顯，如圖17 與圖18 所示，但是經過重新計算穩(wěn)定時兩實驗的誤差，升壓實驗誤差達到0.83%而降壓實驗誤差為1%，實驗誤差明顯下降，但是，在電路初始階段波形穩(wěn)定性較差，在減小誤差的同時一定程度上犧牲了穩(wěn)定性。

圖15 改進后的升壓實驗

圖16 改進后的降壓實驗

圖17 升壓實驗波形穩(wěn)定時輸出

圖18 降壓實驗波形穩(wěn)定時輸出

3 結語

由上述實驗可得出，輸入電壓經Sepic 變換器進行調壓后，能得到穩(wěn)定的直流電壓，且與理論推導值相近，而Sepic 變換器對電路升降壓功能的控制是由控制占空比控制的，當ρ>0.5實現(xiàn)升壓功能，0<ρ<0.5時實現(xiàn)降壓功能。在原電路基礎上經保護電路改進后，穩(wěn)定后的輸出電壓數據誤差明顯減小。

同時PSIM 軟件的目前在國內應用較少，本文的研究對Sepic 電路的理解與掌握具有重要意義，同時對PSIM 的推廣具有重要價值。