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校電氣工程學院，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]。直流變換電路應用非常廣泛，包括直流電動機傳動、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，其強大的電路設計、仿真和PCB 制版功能，深受廣大電子設計愛好者青睞。本文運用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，負載為純電阻R。當開關(guān)T 閉合時，負載電壓u o=Ud，并持續(xù)時間ton稱為開通時間；當開關(guān)T 斷開時，負載上電壓uo= 0，并持續(xù)時間toff稱為關(guān)斷時間。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)負載的平均電壓。占空比k的改變可以通過改變ton或toff來實現(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，改變導通時間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，按空格鍵進行圖表仿真，改變控制信號P 的頻率和占空比，重復測試輸出波形，可以發(fā)現(xiàn)電流波形是一個指數(shù)特性波形，當放電時間小于時間常數(shù)τ=L/R=83μs 時，波形連續(xù)。若占空比為k=50%，放電時間0.25ms 是時間常數(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%，放電時間0.450ms 是時間常數(shù)τ 的5.4 倍，電流波形斷續(xù)，如圖3(b)。當放電時間遠大于時間常數(shù)τ 時，波形斷續(xù)。測試表明輸出電壓脈動情況與時間常數(shù)τ=L/R 的值有關(guān)，如果時間常數(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，重復上述測試，則輸出電壓脈動減小，當電容的濾波效應大于電感時，輸出電壓公式計算有較大誤差，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不同占空比的輸出電壓測量值和計算值。如圖4(a)～(b)所示為降壓斬波電路接濾波電容時不同占空比的電流波形。

表1 降壓斬波電路接濾波電容時的輸出電壓測量值和計算值

圖4 降壓斬波電路接入濾波電容時輸出電流波形

測試表明，在接入濾波電容時輸出電壓會有所提高，電路極容易振蕩，導致?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容量不能太大。合理計算濾波電感保證輸出電壓的穩(wěn)定非常重要。

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

表2 降壓斬波電路τ＞＞T時不同占空比的輸出電壓計算值和測量值

圖5 降壓斬波電路τ＞＞T 時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；設置電感L1=100mH，電容C1=1000μF；直流激勵源Ui參數(shù)編輯為5V；脈沖激勵源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 時的仿真測試和輸出電壓波形

當開關(guān)管選用IRF1407，U(G)=5V，占空比k=0.5 時，動態(tài)仿真運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的導通電壓降。由于兩個管子特性不同，在相同的驅(qū)動下，其管壓降不同，導致輸出電壓不同。開關(guān)管導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，觀察波形幅度達到8.5V，導通壓降減小到0.9V 左右。

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

（3）電感參數(shù)設置不合理

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，當降壓斬波電路滿足時間常數(shù)τ 大于控制脈沖周期T 時，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 值與負載有關(guān)，因此，在設計平波電抗器時需要按照最小值τ和開關(guān)頻率計算電感量。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)不合理均可能導致輸出電壓下降。