交錯(cuò)并聯(lián)式BOOST電路的Pspice仿真分析

侯 沖，張建軍

（1.西安科技大學(xué) 陜西 西安 710054；2.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710054）

隨著電力電子行業(yè)的發(fā)展，電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，仿真作為一種便利的設(shè)計(jì)手段被廣泛的應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證中，包括用于電路設(shè)計(jì)中的一系列仿真軟件如MATLAB中的Simulink及其Pspice等軟件，這些軟件可以對(duì)電路中的信號(hào)進(jìn)行仿真，讓設(shè)計(jì)人員了解電路的工作特性，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)仿真來(lái)預(yù)測(cè)和驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，具有時(shí)效性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于科學(xué)研究工作具有十分有用的價(jià)值。筆者在基于Pspice仿真軟件的基礎(chǔ)上對(duì)BOOST變換器的并聯(lián)交錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)搭建Pspice模型分析了并聯(lián)交錯(cuò)BOOST變換器的優(yōu)點(diǎn)，即輸出紋波很小適用于帶載要求紋波小的設(shè)備，如應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的CPU等。

圖1 BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the boost topology

1DC-DC變換器

DC-DC變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非為BUCK變換器、BOOST變換器和BUCK-BOOST變換器。由于DC-DC變換器中，輸入端和輸出端共地，所以也稱為三端開(kāi)關(guān)變換器[1]。

開(kāi)關(guān)變換器同三端線性調(diào)節(jié)器有很多相同點(diǎn)，例如輸入電壓不能調(diào)節(jié)，但是輸出電壓可以調(diào)節(jié)，在效率要求較高的情況下可以替代線性調(diào)節(jié)器，開(kāi)關(guān)變化器在輸入跟輸出之間使用的是扼流圈而不是變壓器。

BOOST電路是升壓電路，升壓電感完成升壓，并通過(guò)電容保持電壓值。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。

其工作狀態(tài)如下當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入直流電壓流經(jīng)電感，在穩(wěn)態(tài)工作下，電感中的電流開(kāi)始正向增加，二極管處于反向偏置，輸出電容通過(guò)電阻放電，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，此時(shí)通過(guò)二極管續(xù)流，同時(shí)通過(guò)輸出電容和電阻組成回路。此時(shí)，電感中的電流減小。

上面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過(guò)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，對(duì)電感運(yùn)用伏秒平衡方程有下式：

從而通過(guò)調(diào)節(jié)占空比D可以調(diào)節(jié)輸出電壓。

BOOST變換器又稱為升壓變壓器，輸出電壓的極性跟輸入電壓的極性相反。

通常電感值的選擇要保證臨界電流地域所需要的最小負(fù)載電流，另外，電感在最大負(fù)載和最小導(dǎo)通時(shí)間的情況下，不能飽和。

2 交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器

交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過(guò)開(kāi)關(guān)變換器的并聯(lián)得到，一般這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用一個(gè)公用的濾波電路，相比一般的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身有自身的好處，負(fù)載變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，功率處理能力強(qiáng)[3]。

異步調(diào)制為載波信號(hào)與調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式，在不變的情況下，變化時(shí)，載波比N由此發(fā)生變化。在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不同，正負(fù)半周的脈沖不對(duì)稱。

交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)異步驅(qū)動(dòng)每個(gè)并聯(lián)的變換器的控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以減少輸出電壓的紋波。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

交錯(cuò)并聯(lián)BOOST拓?fù)洌鐖D2所示。

2.2 PSPICE仿真

圖2 交錯(cuò)并聯(lián)BOOST拓?fù)銯ig.2 Structure diagram of the interleaving parallel boost topology

Pspice是一種功能強(qiáng)大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真軟件，通過(guò)此軟件可以對(duì)常用的電路進(jìn)行仿真，同時(shí)還可以對(duì)電路中某一輸出信號(hào)，用探針進(jìn)行采樣仿真，通過(guò)仿真給出仿真信號(hào)的波形，同時(shí)可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行直流分析和瞬態(tài)分析等，從而得到仿真結(jié)果。Pspice自帶的基本電路特性分析功能包括直流分析，交流小信號(hào)頻率特性分析，瞬態(tài)分析，傅里葉分析等。

交錯(cuò)并聯(lián)BOOST電路的Pspice模型如圖3所示。

圖3 交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的Pspice模型Fig.3 Structure diagram of the interleaving parallel boost topology pspice model

交錯(cuò)并聯(lián)BOOST拓?fù)涔靡粋€(gè)電源，輸出電容也為一個(gè)，通過(guò)PSpice軟件中的ABM2模塊實(shí)現(xiàn)[4]，其輸入為兩路電壓信號(hào)，輸出為一路電壓信號(hào)，上圖中的兩路控制信號(hào)PWM相位相差180°，通過(guò)設(shè)置的鋸齒波信號(hào)與同一個(gè)輸入信號(hào)比較得到。

交錯(cuò)并聯(lián)BOOST拓?fù)渲休斎腚娏鳛閮蓚€(gè)電感電流的和，輸入電壓相同，在連續(xù)型模式下，相位差為其中N為并聯(lián)的變換器的個(gè)數(shù)，本課題中N為2，交錯(cuò)并聯(lián)BOOST拓?fù)渲械腜WM信號(hào)的一種時(shí)序圖如圖4所示。

由圖4的驅(qū)動(dòng)波形分析撲結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài):

圖4 PWM波形圖Fig.4 Schematic diagram of the wave picture of pulse-width modulation

狀態(tài)1當(dāng)兩個(gè)管子都為高電平時(shí)候，直流電源經(jīng)過(guò)電感與地相連，輸出電容通過(guò)輸出電阻放電，狀態(tài)2兩個(gè)開(kāi)關(guān)管中工，其中一個(gè)為高電平，一個(gè)為低電平，高電平的那只管子通過(guò)電感、開(kāi)關(guān)管與地相連接，另外電感的感生電壓使此時(shí)的電壓方向反向，使正向的二極管導(dǎo)通，然后與輸出電容、輸出電阻相連接；狀態(tài)3開(kāi)關(guān)管都為高電平，直流電壓經(jīng)過(guò)電感與地相連，輸出電容此時(shí)通過(guò)電阻放電，最后狀態(tài)4與狀態(tài)2相反，狀態(tài)2中高電平的開(kāi)關(guān)管在此時(shí)的電平變?yōu)榈碗娖剑瓉?lái)狀態(tài)2中的低電平的開(kāi)關(guān)管此時(shí)電平變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)直流電壓同過(guò)電感，經(jīng)過(guò)高電平的開(kāi)關(guān)管與地連接，由于另一個(gè)并聯(lián)的電感此時(shí)的電壓反向，使二極管正向?qū)ǎㄟ^(guò)二極管與電容、電阻連接。

由圖3交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的Pspice模型所測(cè)的各點(diǎn)的波形圖如圖5所示。

在輸出電容為100 μF時(shí)和300 μF時(shí)，輸出電壓波形如圖6所示。由圖6可知道，增加輸出電容值可以輸出紋波電壓減小。

圖5 PSpice模型所測(cè)的各點(diǎn)的波形圖Fig.5 Structure diagram of several points wave pictures of pspice model

圖6 交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的PSpice模型輸出電壓波形Fig.6 Structure diagram of the wave of output voltage of the interleaving parallel boost topology pspice model

3 N個(gè)BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的并聯(lián)

通過(guò)并聯(lián)多個(gè)不同的BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)并聯(lián)變換器。采用Giral等人提出的的電流模式交錯(cuò)驅(qū)動(dòng)的方法[5]，實(shí)現(xiàn)控制。其中用二進(jìn)制表示開(kāi)通和關(guān)斷，1為開(kāi)通，0為關(guān)斷。3個(gè)相同的BOOST變換器連接如圖7所示。

3個(gè)相同的BOOST變換器交錯(cuò)并聯(lián)變換器的PSpice模型[6]如圖8所示。

上式中增大C可以減小輸出紋波的大小，另外通過(guò)改變?chǔ)也可以紋波電壓發(fā)生變化。

圖7 N=3，交錯(cuò)并聯(lián)BOOST變換器Fig.7 Structure diagram of three interleaving parallel boost topology converter

圖8 BOOST變換器交錯(cuò)并聯(lián)變換器的PSpice模型Fig.8 Structure diagram of the interleaving parallel boost topology pspice model

4 結(jié) 論

交錯(cuò)并聯(lián)變換器的優(yōu)點(diǎn)是可以減小輸出電壓的紋波，因此此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正中。使負(fù)載表現(xiàn)為阻性負(fù)載，對(duì)電網(wǎng)的影響減小。

[1]Billings K.Switching Power Supply design[M].MC Graw Hill professional，2009.

[2]Severns.R P，Bloom G E.Mordern DC to DC Switchmode Power converter circuits[M].New York:Van Nostrand Reinhold，1985.

[3]MiftakhutdinowR.Optimal designof interleaved synchronous buck converter at high slew-rate load current transients[C]//IEEE Power Electronics Specialists Conference，2001.

[4]徐德鴻，譯.開(kāi)關(guān)功率變換器 ——開(kāi)關(guān)電源的原理、仿真和設(shè)計(jì)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5]GiralR，MartinezSL，SingerS.Interleaved converters， Applications and Design[M].New York John Wiley and Sons，1989.

[6]Basso C P.Switch Mode Power Supply SPICE Cookbook[M].McGraw Hill Professional，2001.