開關(guān)電源電路仿真基礎(chǔ)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u9903開關(guān)電源電路仿真基礎(chǔ)概述 1247961.1開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu) 1215911.2開關(guān)電源的工作原理 291091.3反激式開關(guān)電源工作原理 2188771.4反激式變換器的工作模式 3104461.4.1斷續(xù)工作模式（DCM） 4121381.4.2連續(xù)工作模式（CCM） 499501.5計算機仿真與Saber仿真軟件 5313901.5.1計算機仿真概述 5320541.5.2Saber仿真軟件簡介 61.1開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)開關(guān)電源一般分為直流-直流和交流-直流兩類，這兩類開關(guān)電源其實在本質(zhì)上都是直流-直流開關(guān)變換器，故而對于開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)來說也就是直流-直流開關(guān)變換器這一種拓撲結(jié)構(gòu)，相對來說較為常用的拓撲結(jié)構(gòu)有以下幾個：（1）降壓式（Buck）變換器；（2）升壓式（Boost）變換器；（3）升降壓式（Buck-Boost）變換器；（4）單端正激式變換器；（5）單端反激式（flyback）變換器；（6）半橋式變換器；（7）全橋式變換器；（8）推挽式變壓器[8]。1.2開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源通過控制電路的作用，使得如晶體管、晶閘管、場效應(yīng)管、等電子開關(guān)器件在工作過程中不斷地在導通和關(guān)斷這兩種狀態(tài)之間切換，并且利用電子開關(guān)器件實現(xiàn)對輸入電壓的脈沖調(diào)制的目的，從而完成交流-直流、直流-直流電壓變換，并且能夠自動穩(wěn)壓以及可以調(diào)整輸出電壓[9]。換言之，交流電源的電壓輸入在經(jīng)過整流濾波電路的作用后變成直流電，接著利用高頻PWM(也就是脈沖寬度調(diào)制)或PFM(也就是脈沖頻率調(diào)制)實現(xiàn)對開關(guān)管的控制，直流電在這時再輸入到開關(guān)變壓器的一次側(cè)，隨后高頻電壓會在變壓器的二次側(cè)感應(yīng)出來，同理，這個電壓也會通過整流濾波電路作用之后供給負載。有時候會通過一定的補償電路反饋給控制電路來反應(yīng)輸出部分，這里是通過控制PWM占空比，來穩(wěn)定輸出，使輸出電壓趨于一個穩(wěn)定值。1.3反激式開關(guān)電源工作原理在BUCK-BOOST電路基礎(chǔ)上通過一定的演變，然后得到反激式（flyback）開關(guān)變換器，這一類開關(guān)變換器是在功率開關(guān)管截止期間對負載進行能量的傳輸，其基本拓撲如下。圖2-1反激式開關(guān)變換器反激式開關(guān)電源可以劃分成兩個不同的工作階段：開關(guān)管Q1(即MOSFET管)導通期間和截止期間[10]。Q1導通期間：變壓器T的初級電感線圈Np此時流過電流Ip,并且電感線圈儲存能量(E=Lp*Ip2/2),因為變壓器初級線圈Np和次級線圈Ns的極性是相反的，因此在變壓器的次級部分輸出整流二極管VD是反向截止的狀態(tài)，這時負載沒有能量傳輸。電壓Ui連接在變壓器T的初級線圈繞組Np上，初級電流Ip隨之增大，儲存的能量也隨之增加，變壓器的次級部分二極管VD此時將承受到反向電壓，此時負載的能量由電容C2放電來提供。在開關(guān)管Q1導通期間，輸入電壓Ui是加在變壓器的初級線圈繞組Np上的，次級的線圈繞組Ns的極性與初級線圈繞組Np極性恰恰是相反的，故次級的線圈繞組Ns上的感應(yīng)電壓Us=-(Ns/Np)Ui,整流二極管VD此時會反向截止，使用沒有次級電流流過，儲能濾波電容C2放電給整個回路負載提供能量，設(shè)導通時間TON時結(jié)束，初級電流從最小值ipmin增長到ipmax,并且是線性規(guī)律，表達式為i在開關(guān)管導通期間，增加的磁通量為ΔΦ（＋），根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知ΔΦQ1關(guān)斷期間：由楞次定律分析，變壓器的初級線圈繞組Np有反向感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生，變壓器次級部分的整流二極管VD此時也正向?qū)ǎ藭r有電流流過負載。二極管導通時，開關(guān)管Q1上的電壓等于Ui+nUo,變壓器給電容充電，初級電流和次級電流為：Is=nIp.在TON時刻，驅(qū)動脈沖電壓為0，開關(guān)管Q1截止，變壓器次級部分的整流管VD正向?qū)?，變壓器線圈電感儲存的能量通過二極管VD向濾波電容C２提供能量充電，同時有輸出電流流過負載。變壓器的次級線圈電感設(shè)為LSI開關(guān)管Q1截止期間，變壓器完成去磁作用，磁通量以線性規(guī)律減小，等于ΔΦ由磁通平衡的原理可以得到ΔΦ（＋）＝ΔΦ（-）。1.4反激式變換器的工作模式反激式變換器在穩(wěn)態(tài)條件下工作時，每個周期結(jié)束時依據(jù)電感線圈此時是否放電到0，能夠把變換器的工作模式劃分為連續(xù)導通模式（即CCM），斷續(xù)導通模式（即DCM），臨界導通模式（BCM）[11]。連續(xù)導通模式和斷續(xù)導通模式如圖所示。圖2-2斷續(xù)模式與連續(xù)模式1.4.1斷續(xù)工作模式（DCM）開關(guān)管截止期間，電感線圈放電到0，那么變壓器次級電流也隨之降低到0，可以說此時反激變換器是在斷續(xù)導通模式工作的，即DCM模式。在功率開關(guān)管導通期間變壓器將其在初級線圈中儲存的能量全部傳輸?shù)酱渭壘€圈中，工作過程為：開關(guān)管Q1導通時，初級電流IP以線性規(guī)律增加，導通結(jié)束時，初級電流IP也增大到最大值，開關(guān)管Q1截止瞬間，儲存到變壓器初級線圈中的能量傳送到次級線圈，次級電流從最大值同樣開始以線性規(guī)律減小，減小到0以后，開關(guān)管Q1關(guān)斷，此下一個導通周期還未到來，所以電容將對負載進行能量的傳輸。1.4.2連續(xù)工作模式（CCM）開關(guān)管截止期間，電感線圈放電沒有到0，則二次側(cè)電流也沒有降低到0，那么此時反激變換器工作在斷續(xù)導通模式，即CCM模式。開關(guān)管Q1導通時，初級線圈中的電流IP從一個正值開始以線性規(guī)律增大，Q1關(guān)斷瞬間，二次側(cè)電流線性下降到這一正值。1.5計算機仿真與Saber仿真軟件1.5.1計算機仿真概述近年來由于科學技術(shù)的巨大進步，具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等許多特點的計算機仿真技術(shù)，在電力、通信和能源等各領(lǐng)域都能看見它的應(yīng)用。計算機仿真可以減少大量繁雜的人工勞動，避免因為誤差模型造成不必要的損失，能在很大程度上節(jié)省設(shè)計成本并減少設(shè)計周期，極大地推動了電力電子行業(yè)的蓬勃發(fā)展[12]。在計算機的電力電子仿真中，不同的仿真軟件和方法各有其特點以及針對性，當然也有其局限性，計算機仿真技術(shù)在現(xiàn)今的發(fā)展趨勢中，出現(xiàn)了各種仿真軟件，這些仿真軟件也在拓寬其適用面，功能也更加豐富和強大，就目前而言，兩種比較有代表性的方法是：（1）系統(tǒng)：建立的模型仿真忽略了高頻分量對系統(tǒng)的影響。（2）元件：建立的模型仿真盡可能的考慮到每個元件的所有特性。計算機仿真的一般過程為圖2-3計算機仿真的一般過程1.5.2Saber仿真軟件簡介Saber仿真軟件是一款混合信號模擬仿真現(xiàn)代電子設(shè)計自動化軟件，它是由美國的Synopsys公司設(shè)計推出的。作為混合技術(shù)優(yōu)化設(shè)計、混合信號仿真以及驗證工具的業(yè)界標準，它在電子、電力電子、機械、機電一體化、光學、光電、控制等領(lǐng)域內(nèi)的各種類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真，處理各種復雜的混合信號設(shè)計并對其驗證設(shè)計合理性方面而言，功能極其強大。其在數(shù)字、模擬、控制量等方面的混合仿真兼容性高，從初始的系統(tǒng)開發(fā)到設(shè)計完成后的詳細驗證過程中可能會出現(xiàn)的等各種問題都能得到較好的解決[13]。Saber仿真軟件包括SaberSketch和SaberDesigner兩部分。繪制電路圖是在SaberSketch中完成，而電路得仿真模擬分析則是在SaberDesigner中進行,可以在SaberScope和DesignProbe中查看仿真模擬得結(jié)果，其具有以下特點：（1）集成度高。繪制原理圖和模擬仿真可以在一個仿真環(huán)境中進行；（2）完整的圖形查看功能。（3）高級仿真功能完整。直流工作點分析、交流小信號分析、瞬態(tài)分析、直流掃描分析、蒙特卡羅分析、應(yīng)力分析、零極點分析、傅里葉分析等仿真分析都能進行；（4）模塊化和層次化。一個局部電路可以通過創(chuàng)建一個符號來代替，并應(yīng)用于層次設(shè)計及模擬仿真；（5）強大的收斂性分析。Saber仿真器選擇的算法，可以使得遇見收斂性問題的可能性降到最低。相對于其他電力電子領(lǐng)域內(nèi)的仿真軟件，Saber是具有一些獨到的優(yōu)勢的，例如有：（1）無論是由底向上的系統(tǒng)驗證抑或是自上而下的系統(tǒng)設(shè)計都能支持；（2