王 釗，馬叢淦，宋振輝

(國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031)

0 引言

直流變換器可以對直流電壓進行變換，通常被稱作二次電源。降壓變換器(BUCK變換器)和升壓變換器(BOOST變換器)是2種最基本的直流/直流電壓變換器，相關(guān)元件在電力仿真中有廣泛的應用。

下面主要介紹這2種直流變換器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理，并通過OrCADPspice電路仿真軟件進行建模與仿真驗證，相關(guān)方法可為實際電力系統(tǒng)中直流/直流變換、交/直/交變換元件仿真提供依據(jù)和參考。

1 BUCK變換器

1.1 電路結(jié)構(gòu)與原理

圖1是BUCK變換器的電路原理圖。開關(guān)T和二極管D構(gòu)成了最基本的開關(guān)型直流/直流降壓變換電路。通過對開關(guān)進行周期性的通斷控制，可以將直流電源的輸入電壓VS變換為電壓Vo，輸出給負載。

圖1 BUCK變換器的電路結(jié)構(gòu)

在開關(guān)導通的Ton=DTS期間，直流電源VS經(jīng)開關(guān)直接輸出，二極管承受反向電壓而截止，流經(jīng)二極管的電流iD=0，電源電流iS經(jīng)開關(guān)T流入電感負載，電感電流iL逐漸上升至iS，變換器的輸出電壓VEO=VS。電感負載兩端的電壓存在如下關(guān)系：

在開關(guān)T阻斷的Toff=(1-D)TS期間，電路的負載與電源脫離。由于電感電流iL并不能立即降為0，期間iL經(jīng)負載和二極管續(xù)流，二極管也因此被稱作續(xù)流二極管。

在整個開關(guān)阻斷的Toff期間，電感電流iL經(jīng)二極管環(huán)流，若阻斷時間足夠短，則二極管一直處于導通狀態(tài)。

整個周期中輸出電壓的直流平均值為：

1.2 仿真建模與驗證分析

圖2為依據(jù)圖1的電路原理，通過OrCADPspice電路仿真軟件，對BUCK變換器進行的仿真模擬。圖1中的控制開關(guān)通過場效應管（MOSFET）實現(xiàn)。將電壓探頭放置在對應位置，即可測量變換器的輸出電壓。在OrCADPspice仿真軟件中，可以變更導通比、開關(guān)頻率等參量，并在同一幅圖像中顯示不同參量對應的輸出電壓波形曲線，觀察參量變化對輸出電壓造成的影響。

為了驗證降壓變換器的輸出電壓與導通比的關(guān)系，將導通比設置為0.1，0.2，……，0.9這9個數(shù)值，觀察電壓波形曲線的變化關(guān)系，如圖3所示。從圖3顯示的波形曲線中可以清晰地發(fā)現(xiàn)，當輸出電壓值趨于穩(wěn)定(t=3.0ms)之后，電壓值與導通比呈正比關(guān)系。線路通電后，由于電感電流需要一段時間才能增加到iS，該過程對應圖3中t=3ms之前的充電期。

圖2 降壓變換器的仿真拓撲結(jié)構(gòu)

圖3 不同導通比狀態(tài)下對應的輸出電壓波形

同樣的方法還可以觀察不同的開關(guān)頻率對輸出電壓造成的影響。將fS設置為 40kHz，60kHz，80kHz和 100kHz這 4 個等級，觀察不同頻率對應的電壓波形，如圖4所示。

圖4是在開關(guān)導通比不變的前提下(設D=0.5)，對應4個不同開關(guān)頻率狀態(tài)下的4條輸出電壓曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，變換器的輸出電壓隨著開關(guān)頻率變化，也發(fā)生微小的變化。隨著開關(guān)頻率增大，輸出電壓值略微下降。圖5是圖4中9.90—10.10ms時間段的區(qū)段放大的電壓曲線。

(三)奢泰。奢即是奢侈，泰即是過度，奢泰就是違背自然規(guī)律而走向極端過分的主觀行為。老子是辯證法大師，他看到了“物極必反”、“物壯則老”的基本規(guī)律，“物壯則老，是謂不道，不道早已”(三十章)。[3]“反者道之動，弱者道之用”(四十章)。[3]他主張適度原則，不搞極端，不搞過分，不搞奢侈，希望人們從圣人的思想中去體會立身處世的原理，做到“去甚、去奢、去泰”(二十九章)。[3]違反適度原則而走向奢泰，就會出現(xiàn)危險。如物質(zhì)生活的過度，就會出現(xiàn)“五色令人目盲，五音令人耳聾，五味令人口爽”(十二章)[3]的結(jié)局。

當電壓趨于穩(wěn)定后，圖3—5的電壓波形曲線趨于一條直線，但將坐標軸放大，會清晰地發(fā)現(xiàn)電壓波形實際為正弦曲線，圖3—5的直線反映了輸出電壓平均值。圖6顯示的是將坐標軸適當放大之后的輸出電壓波形(以圖5中80kHz的開關(guān)頻率為例)。若將圖3—5的其他波形曲線按照相應比例放大，同樣也能觀察其波形變動情況。

圖4 不同開關(guān)頻率對應的輸出電壓波形曲線

圖5 不同開關(guān)頻率對應的輸出電壓波形曲線(區(qū)段放大)

圖6 80 kHz輸出電壓波形曲線

將電壓和電流探頭放在BUCK變換器對應的位置，就可以得到圖1中電感L和電容C的兩端電壓和流入電流波形曲線，如圖7和8所示。

2 BOOST變換器

2.1 電路結(jié)構(gòu)與原理

圖9是BOOST變換器的電路原理圖。

為了獲得高于電源電壓VS的直流輸出電壓Vo，在BOOST變換器開關(guān)前段插入電感L，在開關(guān)T阻斷時，利用電感線圈L在電流變小過程中產(chǎn)生的反向電動勢，與電源電壓串聯(lián)，共同作用于負載。這樣，負載就可以獲得高于電源電壓的輸出電壓Vo。

圖7 電感L的電壓、電流波形曲線

圖8 電容C的電壓、電流波形曲線

圖9 BOOST變換器的電路結(jié)構(gòu)

在開關(guān)導通的Ton=DTS期間，開關(guān)T導通，二極管D截止，電源電壓VS作用于升壓電感L上，電感電流iL線性增長，且滿足：

當t=Ton=DTS時，iL達到最大值iLmax。在T導通期間，iL的增量ΔiL+為：

開關(guān)導通期間，由于二極管的截止作用，負載由電容C供電。若電容C的容量足夠大，可使Vo變化很小。

在開關(guān)阻斷的Toff=(1-D)TS期間，開關(guān)阻斷，二極管導通，這時，iL和電源共同通過二極管作用于輸出端負載和電容C，電容C處于充電狀態(tài)。此時作用于電感L的電壓為VS-Vo。由于Vo大于VS，故iL線性減小，存在以下關(guān)系：

經(jīng)過完整的開關(guān)阻斷期間后，iL達到最小值iLmin。在開關(guān)阻斷期間，iL的減小量ΔiL-為：

穩(wěn)態(tài)工作時，開關(guān)導通期間的電感電流增量ΔiL+等于開關(guān)阻斷期間的減少量ΔiL-，即ΔiL+=ΔiL-，因此輸出電壓Vo為：

2.2 仿真建模與驗證分析

圖10為依據(jù)圖9的電路原理，通過OrCADPspice電路仿真軟件，對升壓變換器進行的仿真模擬。圖9中的控制開關(guān)也通過場效應管實現(xiàn)。將電壓探頭放置在對應的位置，即可測量變換器的輸出電壓。在升壓變換器的仿真模擬過程中，也通過變更導通比、開關(guān)頻率等參量，并在同一幅圖像中顯示不同參量對應的輸出電壓波形曲線，觀察參量變化對輸出電壓造成的影響。

圖10 BOOST變換器的仿真拓撲結(jié)構(gòu)

為了驗證升壓變換器的輸出電壓與導通比的關(guān)系，將導通比設置為0.1，0.2，……，0.7這7個數(shù)值，觀察電壓波形曲線的變化關(guān)系，如圖11所示。

圖11 不同導通比(0.1-0.7)狀態(tài)下對應的輸出電壓波形

從圖11顯示的輸出電壓波形曲線中可以清晰地發(fā)現(xiàn)，升壓變換器的輸出電壓Vo均大于電源電壓VS。隨著導通比D的增加，輸出電壓值也隨之增大，符合升壓變換器輸出電壓與導通比之間的關(guān)系式。同降壓變換器一樣，在開關(guān)導通比不變的前提 下 觀 察 40kHz，60kHz，80kHz，100kHz 不同開關(guān)頻率狀態(tài)下的輸出電壓曲線，和對應的坐標軸放大圖(以100kHz為例)，如圖12和13所示。

圖12 不同開關(guān)頻率對應的輸出電壓波形曲線

圖12是不同開關(guān)頻率對應的輸出電壓曲線。同降壓變換器一樣，隨著開關(guān)頻率增大輸出電壓略微下降。最上方的電壓曲線對應40kHz的開關(guān)頻率，最下方的電壓曲線對應100kHz的開關(guān)頻率。如果將坐標軸適當放大，也能清晰地觀察到實際電壓變化波形曲線(以100kHz開關(guān)頻率為例)，如圖13所示。

將電壓和電流探頭放在對應的位置，即可得到圖9中電感L和電容C的兩端電壓和流入電流波形曲線，如圖14和15所示。

圖13 輸出電壓波形曲線

圖14 電感L的電壓、電流波形曲線

圖15 電容C的電壓、電流波形曲線

3 結(jié)論

對BUCK和BOOST變換器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理進行分析，并通過仿真建模的手段驗證了模型和原理的準確性。同時，還分析了不同開關(guān)頻率對輸出電壓造成的影響，對這2種最為基本的直流變換器有了清晰和直觀的認識，為電力系統(tǒng)中研究直流變換器電路特性提供新的手段。

參考文獻：

1 王貞艷，陳志梅，張井崗，等．基于PSpice的Buck變換器仿真教學研究[J]．電氣電子教學學報，2012，34(2)：95-97.

2 茹秋生，龐美玉．PSpice對Buck變換器參數(shù)的仿真研究 [J]．制造業(yè)自動化，2009，31(7)：137-139．

3 強凱，文敏華，張銳，等．一種BUCK開關(guān)變換器的建模方法和仿真驗證[J]．信息通信，2016，30(3)：53-55．

4 王英武，王俊峰，劉若寶．PWM單端正激變換器諧振磁復位分析與設計[J]．電力電子技術(shù)，2007，41(6)：43-44．

5 李錫宏，楊明超．單端正激直流變換器分析與設計探討[J]．船電技術(shù)，2000，20(6)：15-20．