李曉淞，黃茜

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島，125000）

0 引言

DC-DC 變換器在日常生活中應(yīng)用范圍非常廣泛，無(wú)論是常見的手機(jī)充電器，電腦電源，還是汽車充電樁都應(yīng)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(jìn)行輸入輸出的隔離。目前，它已經(jīng)被應(yīng)用于大量的電氣工程領(lǐng)域，比如我國(guó)許多新能源發(fā)電設(shè)備中都應(yīng)用了Sepic 變換器，如光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]。本文將對(duì)簡(jiǎn)易的Sepic 電路設(shè)置參數(shù)，對(duì)應(yīng)用PSIM 軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，研究該電路不僅能加深理論基礎(chǔ)，更能為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)作用。

1 Sepic 電路設(shè)計(jì)與原理

Sepic 變換器具有諸如主電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路等，而在其中實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)代替，其余檢測(cè)電路等對(duì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果較小，因此本文電路設(shè)計(jì)與原理和仿真部分主要只對(duì)主電路進(jìn)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(chǔ)能電感(L1,L2)和負(fù)載電阻R 構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 Speic 主電路圖

■1.2 Sepic 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拆分

Sepic 升降壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是根據(jù)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(jù)其輸入電流連續(xù)輸出電流不連續(xù)的特點(diǎn)，以及Buck 和Boost 電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)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(fù)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(jìn)行組合，中間部分采用電容（圖1 中C1）進(jìn)行級(jí)聯(lián)，再調(diào)整一下Buck 電路部分的元件位置(圖4 中VD與L) 就構(gòu)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(diào)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(dǎo)通時(shí)：此時(shí)E-L1-VT，C1-VT-L2形成兩個(gè)回路，電源E 向電感L1進(jìn)行充電，同時(shí)電容C1放電向電感L2進(jìn)行充電，此時(shí)二極管VD 不導(dǎo)通，負(fù)載部分C2向電阻R 放電。

（2）VT 處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，此時(shí)E-L1-C1-VD－負(fù)載(C2-R)與L2-VD－負(fù)載(C2-R)形成兩個(gè)回路，此時(shí)電源E 和儲(chǔ)能電感L1 同時(shí)向負(fù)載供電，同時(shí)C1 進(jìn)行充電，在下一次VT導(dǎo)通時(shí)C1 向L2 進(jìn)行充電，重新構(gòu)成C1-VT-L2 回路，而L2 向電容C2 與電阻R 進(jìn)行放電。

■1.4 Sepic 電路參數(shù)設(shè)置與計(jì)算

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

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

（2）參數(shù)計(jì)算：設(shè)置MOS 管開通時(shí)間為ton，關(guān)斷時(shí)間為toff，周期為T占空比為。

針對(duì)儲(chǔ)能電感L1，吸收能量和釋放的能量時(shí)所處回路為E-L1-VT 與E-L1-C1-VD-C2-R，應(yīng)用伏秒平衡原理得：

同理可得對(duì)于電感L2：

由上面兩式可得：

根據(jù)上述參數(shù)與公式計(jì)算其余參數(shù)（以降壓實(shí)驗(yàn)為例）。

流過(guò)電阻的電流為：

根據(jù)能量守恒定則，從電源流出的穩(wěn)定電流為：

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

對(duì)于電容的選取規(guī)則是，在最小輸入電壓時(shí)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(shí)驗(yàn)參數(shù)為：

2 仿真

■2.1 基于PSIM 搭建Sepic 電路

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

■2.2 設(shè)置Sepic 電路參數(shù)

根據(jù)1.4 部分所計(jì)算的升降壓實(shí)驗(yàn)的電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置仿真時(shí)間為0.01s，步長(zhǎng)為5E-007s，設(shè)置時(shí)需注意脈沖觸發(fā)量的設(shè)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(shù)設(shè)置

圖7 升壓電路的電路參數(shù)

圖8 降壓電路的電路參數(shù)

■2.3 設(shè)置Sepic 電路參數(shù)

開始仿真后，觀察VP1，VP2 兩個(gè)電壓表所測(cè)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(nèi)皆達(dá)到升降壓實(shí)驗(yàn)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(shí)輸出

圖12 降壓電路穩(wěn)定時(shí)輸出

■2.4 誤差

將兩實(shí)驗(yàn)仿真輸出與理論輸出對(duì)比，輸出穩(wěn)定后，觀察發(fā)現(xiàn)升壓實(shí)驗(yàn)誤差為5%左右，降壓實(shí)驗(yàn)誤差約為1.6%左右。

導(dǎo)致誤差的原因可能有：（1）在計(jì)算電容電感選取數(shù)值時(shí)，理論計(jì)算后，對(duì)一些無(wú)限循環(huán)小數(shù)進(jìn)行了近似取舍(2)電路中未加入保護(hù)電路，在電力電子期間關(guān)斷時(shí)可能會(huì)有過(guò)電壓與過(guò)電流現(xiàn)象的發(fā)生，造成誤差。

基于以上考慮，這時(shí)需要設(shè)計(jì)一適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)電路，主要由RCD 緩沖電路與di/dt 抑制電路構(gòu)成保護(hù)電路如圖13 所示。

圖13 保護(hù)電路

在沒有緩沖電路時(shí)，V(無(wú)論是MOS 管還是IGBT)在開通時(shí)電流上升速度較快，容易產(chǎn)生較大的di/dt，在關(guān)斷時(shí)，則容易產(chǎn)生較大的du/dt，出現(xiàn)很高的過(guò)電壓。連接緩沖電路后，在V 開通時(shí)，緩沖電容Cs 會(huì)通過(guò)電阻Rs 向V 放電造成iC 上升了一個(gè)臺(tái)階，后續(xù)因?yàn)橛蒬i/dt 抑制電路的Li的原因，iC上升的速度會(huì)變緩。同時(shí)，電路中的Ri，VDi 為V關(guān)斷時(shí)的Li 中的磁場(chǎng)提供放電回路。V 關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流會(huì)有部分經(jīng)VDs 向Cs 分流，大大減輕了V 的工作負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt 和過(guò)電壓。但因?yàn)殛P(guān)斷V 時(shí)電路中的電感的能量還需要釋放，因此還會(huì)出現(xiàn)一定的過(guò)電壓現(xiàn)象。

■2.5 增加保護(hù)電路的改進(jìn)

在Speic 電路中，以L1 同時(shí)充當(dāng)Li，經(jīng)查閱資料與反復(fù)調(diào)試后，設(shè)置Ri 為1kΩ，Rs 為10Ω，Cs 為40μF，電路圖如圖14 所示。

圖14 改進(jìn)后的電路

再將電路進(jìn)行改進(jìn)后，重新進(jìn)行升降壓電路的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15 與圖16 所示，在新產(chǎn)生的波形圖中，穩(wěn)點(diǎn)前的波形正如2.4 中所述出現(xiàn)了一定的過(guò)電壓現(xiàn)象，并且系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間有所增長(zhǎng)，振蕩現(xiàn)象明顯，如圖17 與圖18 所示，但是經(jīng)過(guò)重新計(jì)算穩(wěn)定時(shí)兩實(shí)驗(yàn)的誤差，升壓實(shí)驗(yàn)誤差達(dá)到0.83%而降壓實(shí)驗(yàn)誤差為1%，實(shí)驗(yàn)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(shí)一定程度上犧牲了穩(wěn)定性。

圖15 改進(jìn)后的升壓實(shí)驗(yàn)

圖16 改進(jìn)后的降壓實(shí)驗(yàn)

圖17 升壓實(shí)驗(yàn)波形穩(wěn)定時(shí)輸出

圖18 降壓實(shí)驗(yàn)波形穩(wěn)定時(shí)輸出

3 結(jié)語(yǔ)

由上述實(shí)驗(yàn)可得出，輸入電壓經(jīng)Sepic 變換器進(jìn)行調(diào)壓后，能得到穩(wěn)定的直流電壓，且與理論推導(dǎo)值相近，而Sepic 變換器對(duì)電路升降壓功能的控制是由控制占空比控制的，當(dāng)ρ>0.5實(shí)現(xiàn)升壓功能，0<ρ<0.5時(shí)實(shí)現(xiàn)降壓功能。在原電路基礎(chǔ)上經(jīng)保護(hù)電路改進(jìn)后，穩(wěn)定后的輸出電壓數(shù)據(jù)誤差明顯減小。

同時(shí)PSIM 軟件的目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，本文的研究對(duì)Sepic 電路的理解與掌握具有重要意義，同時(shí)對(duì)PSIM 的推廣具有重要價(jià)值。