中心議題:
- 推挽式Boost DC/DC 變換電路工作原理及缺點
- PSPICE 軟件對推挽式Boost DC/DC 變換電路建模仿真
隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,雙向DC/DC 變換器的應(yīng)用日益廣泛。主要有直流不停電電源系統(tǒng)( DC-UPS) 、航空電源系統(tǒng)、電動汽車等車載電源系統(tǒng)、直流功率放大器以及蓄電池儲能等應(yīng)用場合。而雙向DC /DC 變換器中,升壓變換和降壓變換是雙向DC /DC 變換器中兩個組成部分,在DC /DC 升壓式電路中,通常采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Boost、Buck、Boost 和推挽三種。而當(dāng)輸入電壓比較低,功率不太大的情況下,一般優(yōu)先采用推挽結(jié)構(gòu)。本文著重介紹一種推挽式Boost DC /DC 變換器,全面分析這種變換器的工作原理并闡述其缺點,利用PSPICE 仿真軟件對其進行建模仿真。
1 推挽式Boost DC/DC 變換電路工作原理
推挽式Boost DC /DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示,前面一級升壓電路可以看作是一個Boost 升壓電路,通過調(diào)整開關(guān)管S1的占空比來調(diào)節(jié)變壓器原邊輸入電壓; 后面一級升壓電路是一個推挽式變換電路,也可以看作是由兩個正激式變換器組合來實現(xiàn)的,該變換器是由一個具有中心抽頭的變壓器和兩只開關(guān)管S2、S3構(gòu)成的。這兩個正激式變換器在工作過程中相位相反,在一個完整的周期中交替把能量傳遞給負(fù)載,所以稱為推挽式變換。
圖1 推挽式Boost DC/DC 變換器
功率開關(guān)管S1、S2、S3的發(fā)射極直接連接在電源負(fù)極,因此該變換器的驅(qū)動電路繼承了一般推挽式變換電路的優(yōu)點: 基極驅(qū)動十分方便、簡單,不需要進行電氣隔離就可以直接驅(qū)動。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動電路簡單以及升壓效果明顯等優(yōu)點。
升壓變換時其具體的工作過程如圖2 所示,高壓側(cè)開關(guān)管的驅(qū)動信號被封鎖。功率開關(guān)管S1和升壓電感L1構(gòu)成的Boost 電路將電源電壓初次升高到一定的電壓值; S2和S3驅(qū)動信號的占空比均為50 %,構(gòu)成的推挽變換電路將升高后的直流電壓變換成交流電壓,通過高頻變壓器傳送到副邊,并將電壓進一步升高,利用反向電路中的開關(guān)管的反并二極管進行整流。
在任一時刻,電流僅僅流過一個開關(guān)器件,這大大降低了變換器的通態(tài)損耗,同時提高了變換器的效率、縮小了變換器的體積。
開關(guān)管S1、S2、S3的驅(qū)動信號,以及開關(guān)管所承受的電壓波形、電感L1中的電流波形,如圖2 所示。
圖2 升壓變換時開關(guān)管上的電壓、電感中的電流和變壓器副邊電壓波形[page]
在分析之前,假設(shè)所有的開關(guān)器件和整流二極管器件均為理想器件,變壓器為理想變壓器,電感L1足夠大,能夠保證流過它的電流的連續(xù)性。其中電容C2是為了防止電流偏磁的。
各開關(guān)狀態(tài)如下:
(1) t0 ~ t1階段
t0時刻,S1導(dǎo)通,低壓側(cè)直流電壓加在L1的兩端,電感中的電流線性增長。此期間電源對電感充電,儲存能量,為了能夠保證電流的連續(xù)性,要求電感L1要足夠大。這期間雖然開關(guān)管S2有觸發(fā)信號,但是開關(guān)管S1的導(dǎo)通對L2回路形成短路,加在變壓器原邊的電壓為零,變壓器副邊輸出電壓也為零。
(2) t1 ~ t2階段
t1時刻,S1關(guān)斷,S2承受正向電壓導(dǎo)通,L1中的電流將通過開關(guān)管S2流經(jīng)變壓器,此時變換器對負(fù)載供電,L1中的電流線性下降。
(3) t2 ~ t3階段
t2時刻,S1再次導(dǎo)通,工作過程同t0 ~ t1階段。
(4) t3 ~ t4階段
t3時刻,S1關(guān)斷,S3承受正向電壓導(dǎo)通,L1中的電流將通過開關(guān)管S3流經(jīng)變壓器,此時變壓器對負(fù)載供電,L1中的電流線性下降。
通過分析得到如下結(jié)論: 該電路采用Boost 升壓電路和推挽式升壓電路兩種升壓電路相結(jié)合的方式對輸入電壓進行升壓,大大地提升了升壓的整體效率。但是其主要缺點是: 電路主體部分仍然采用硬開關(guān)電路,造成的開關(guān)損耗也比較大,變換器的工作效率受到一定的限制。因此有必要對變換電路進行改進,可以將串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)引入到推挽式Boost 變換器中。
2 建模與仿真
為了驗證上述分析,下面應(yīng)用PSPICE 電路仿真軟件對這種推挽式Boost DC /DC 變換電路進行建模仿真,觀察其仿真波形。
(1)圖3 給出了升壓變換電路的主電路的仿真圖,其仿真主要參數(shù)如下:
輸入直流電壓:Uin = 28 VDC; 輸出直流電壓:Uo= 270 VDC; 變壓器原、副邊匝比:n = 5; 升壓電感:L4= 200 μH; 輸出濾波電容:C1 = 200 μF; 開關(guān)管:IRF460; 功率二極管:MUR460。
(2)功率開關(guān)管的驅(qū)動信號設(shè)置
首先在Pspice 的Schematic 中繪制如圖3 所示的電路原理圖,選用暫態(tài)分析,在給定輸入激勵信號的作用下,調(diào)用PspiceA/D 程序進行電路的模擬仿真。
圖3 升壓變換電路的主電路仿真圖
三個開關(guān)管的驅(qū)動信號如表1所示進行設(shè)置。
此仿真開關(guān)管的驅(qū)動信號采用脈沖信號激勵源VPULSE,其主要有7 個參數(shù)設(shè)置。
升壓開關(guān)管的開關(guān)頻率為推挽管開關(guān)頻率的兩倍,推挽管的開關(guān)周期為25 μs。
表1 開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號設(shè)置表[page]
(3) 仿真結(jié)果及分析
圖4 為升壓變換電路中升壓開關(guān)管和推挽開關(guān)管的驅(qū)動波形。S1為升壓開關(guān)管,S2和S3為推挽功率開關(guān)管。圖中S2和S3為推挽開關(guān)管的驅(qū)動波形,占空比為50 %,為兩個互為180°的方波。
圖4 升壓開關(guān)管S1和推挽管S2、S3的驅(qū)動波形
圖5 為變換器升壓開關(guān)管的驅(qū)動波形及其升壓電感中的電流波形。從圖中可知,當(dāng)升壓開關(guān)管S1導(dǎo)通,低壓側(cè)的直流電壓Uin加在升壓電感L5的兩端,所以電感中的電流線性上升,此時直流電壓源對電感充電來存儲能量。此時雖然推挽開關(guān)管S2驅(qū)動導(dǎo)通,但是S1的導(dǎo)通對S2的回路形成短路,加在變壓器原邊的電壓為零。當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時,升壓電感L5中的電流將通過開關(guān)管S2流經(jīng)變壓器對負(fù)載供電,此時L5中電流線性下降,依次循環(huán)。
圖5 開關(guān)管S1的驅(qū)動波形及升壓電感中的電流波形
圖6 為升壓開關(guān)管S1和推挽開關(guān)管S2漏源極之間的電壓波形。從圖中可以看出開關(guān)管漏源極之間電壓有少量振蕩,這是由于變壓器中存在有漏感而引起的電壓峰值,這個電壓峰值直接加在關(guān)斷的開關(guān)管兩端。
圖6 S1和S2漏源極之間的電壓波形
3 結(jié)束語
通過上述仿真分析,這種新型的采用Boost 升壓和推挽式升壓相結(jié)合的升壓方式,大大地提高了升壓效率,但缺點是仍然采用硬開關(guān),這樣一來變換器的體積大,二是有一定的開關(guān)損耗,下一步的研究即在此基礎(chǔ)上引入軟開關(guān)技術(shù)。