高功率因數(shù)整流器的PSpice仿真

1 概述

　　隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的涌現(xiàn)，越來(lái)越多的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件應(yīng)運(yùn)而生，成為設(shè)計(jì)人員的得力工具。而PSpice軟件作為當(dāng)今應(yīng)用廣泛的EDA 軟件之一，是電子電路計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)中常用的一個(gè)通用軟件，對(duì)電路模擬分析的精度較高，使設(shè)計(jì)人員不必搭焊實(shí)際電路，而直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)模擬分析階段，非常方便。兼之其PSpice 仿真計(jì)算中采用了精確的半導(dǎo)體器件模型，稀疏矩陣技術(shù)等，使得PSpice 仿真在數(shù)學(xué)、物理上的概念非常清晰且精度高、通用性好，可以模擬各種類型的電路。

　　近年來(lái)，電網(wǎng)的諧波污染和無(wú)功問(wèn)題日益嚴(yán)重，主要原因是電力半導(dǎo)體器件及電力電子設(shè)備裝置的廣泛應(yīng)用。而特別針對(duì)于傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源，大量采用不控整流加電解電容濾波供電，其網(wǎng)側(cè)電流波形為尖峰脈沖，輸入電流波形嚴(yán)重畸變，功率因數(shù)非常低。為滿足要求，有必要采用功率因數(shù)校正技術(shù)。

　　本文研究的高功率因數(shù)整流器，主電路采用橋式整流，再級(jí)聯(lián)以Boost 升壓式斬波器作為功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，如圖1 所示。圖中，L 為儲(chǔ)能電感；VT為通斷開(kāi)關(guān)，可采用MOS 管或IGBT等開(kāi)關(guān)管；RS 為檢測(cè)電流的電阻，R 為負(fù)載，C 發(fā)揮濾波作用。通過(guò)對(duì)升壓斬波環(huán)節(jié)控制其電感電流跟蹤輸入電壓變化來(lái)降低輸入電流的畸變，并通過(guò)閉環(huán)控制，達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。

2 高功率因數(shù)整流器的控制電路結(jié)構(gòu)

　　高功率因數(shù)整流器的核心部分為開(kāi)關(guān)管VT的控制電路部分，本方案控制部分電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂，主要包括PI 調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)、乘法器環(huán)節(jié)、電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)以及滯環(huán)比較環(huán)節(jié)。而其中的關(guān)鍵是滯環(huán)比較環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，滯環(huán)比較環(huán)節(jié)電路原理圖如圖2所示。

　　滯環(huán)比較器是在電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋，形成了滯環(huán)控制。輸出電壓u憶o 為+UZ 或-UZ，其中+UZ 和-UZ 為運(yùn)算放大器的正負(fù)電源電

3 高功率因數(shù)整流器的PSpice仿真

　　PSpice 通用電路模擬軟件是能在微型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的SPICE 程序。SPICE 是Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis 的縮寫(xiě)，它由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校于20世紀(jì)70 年代推出，主要用于集成電路的電路分析程序。PSpice除包含有SPICE 的仿真功能外，在計(jì)算的可靠性、收斂性及仿真速度等方面都有改進(jìn)，并擴(kuò)展了許多新功能。它增加了統(tǒng)計(jì)分析及電路特性的最壞情況分析，擴(kuò)展了DC分析時(shí)的全部參數(shù)掃描，提高了參數(shù)分析能力。PSpice模擬器可以模擬被分析電路的直流特性、交流特性及瞬態(tài)特性，可以進(jìn)行溫度特性、噪聲特性及靈敏度等特性的分析。電路工作頻段可由低頻段到微波段。PSpice 的Windows版本建立了良好的人機(jī)界面，以窗口及下拉菜單的方式進(jìn)行人機(jī)交流，并在書(shū)寫(xiě)源程序的文本文件輸入方式基礎(chǔ)上，增加了輸入電路原理圖的圖形文件輸入方式，操作直觀快捷，給使用者帶來(lái)極大方便。目前，在眾多的計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)軟件中，PSpice軟件被國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員、專家、學(xué)者公認(rèn)為是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件。

　　應(yīng)用PSpice對(duì)電路進(jìn)行仿真首先就是要確定電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立起電路作業(yè)文件。本文采用了PSpice 作業(yè)輸入文件的兩種描述形式之一的作業(yè)圖形文件，即在PSpice的Schematics 環(huán)境下建立的電路原理圖文件。首先啟動(dòng)PSpice程序，新建一工作區(qū)，設(shè)置好文件的名稱和路徑，文件的后綴為.sch。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一空白的MicroSim Schematics的文件界面，即可開(kāi)始繪制電路的原理圖。

　　繪圖時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的原理圖，可首先在對(duì)應(yīng)的原器件庫(kù)里選擇出所需要的元器件，放置在Schematics 面板上。例如，在Analog.slb 庫(kù)中提取電阻、電容、電感等元器件；在Source.slb 庫(kù)中提取正弦電壓源；在Global.slb 中提取地線等。待所有元器件提取完畢后把它們分別放在屏幕相應(yīng)合適的位置上。就可以在Draw 菜單下單擊Wire 項(xiàng)進(jìn)行連線，把組件的端點(diǎn)按原理圖連接起來(lái)。原理圖繪制完成后（如圖4 所示），要確保各元器件連接完好并且原理圖要準(zhǔn)確無(wú)誤，否則會(huì)導(dǎo)致原理圖無(wú)法進(jìn)行仿真。

　　接下來(lái)就是對(duì)電路進(jìn)行仿真分析了，在此之前要通過(guò)菜單Setup 項(xiàng)進(jìn)行分析設(shè)置，制定何種分析，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，這也是利用圖形輸入進(jìn)行PSpice 模擬分析的關(guān)鍵。它包括直流分析、交流分析、溫度分析、瞬態(tài)分析等多種分析模式。在此，本課題研究單位功率因數(shù)整流電路，就是要驗(yàn)證電路輸入電流與輸入電壓之間接近同相位的關(guān)系，即功率因數(shù)近似為1，也就是通過(guò)比較輸入電壓和輸入電流隨時(shí)間變化的波形的相位關(guān)系，所以在這里進(jìn)行的是瞬態(tài)分析。在Setup 中選中Transient項(xiàng)并進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)設(shè)置。

　　參數(shù)設(shè)置完成后，即可對(duì)電路進(jìn)行仿真分析，通過(guò)調(diào)整電路的各項(xiàng)參數(shù)，可以得到一系列的波形圖（圖5、圖6、圖7 所示）。從仿真波形可以看出，直流輸入側(cè)電流波形為半周正弦波且與電壓波形同相，如圖5所示；交流側(cè)電流波形為完好的正弦波，并且功率因數(shù)為1，如圖6 所示；輸出電壓也逐漸趨于平穩(wěn)，紋波系數(shù)很小，如圖7 所示。

　　設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于各項(xiàng)參數(shù)的選擇確定。通過(guò)輸入電壓與輸入電流的波形對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)有效控制后，輸入電流基本與輸入電壓同相，且進(jìn)行了實(shí)時(shí)跟蹤，輸入電流波形也非常接近正弦波，使畸變問(wèn)題得到了很好的解決，達(dá)到了控制的目的。通過(guò)調(diào)節(jié)給定值及負(fù)載大小都可產(chǎn)生相應(yīng)的跟蹤變化，調(diào)節(jié)參數(shù)值即可達(dá)到預(yù)期的調(diào)節(jié)結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)、仿真分析，可以看出文中所設(shè)計(jì)的高功率因數(shù)整流器，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)近似為1，并且電流波形近似正弦波，輸出電壓平穩(wěn)且紋波系數(shù)很小，表明了本文中單位功率因數(shù)整流電路及其控制原理的可行性。