基于PSpice軟件的單相Boost變換器的仿真分析

圖5 瞬態(tài)分析的各測量點(diǎn)波形圖

（1）工作狀態(tài)1：0~5us

此時(shí)間段中，開關(guān)管M1處于關(guān)斷狀態(tài)，直流電源通過電感L、二極管D1向負(fù)載供電，電路處于穩(wěn)態(tài)。此時(shí)電感可以視為處于直流短路狀態(tài)，直流電源直接通過二極管D1對負(fù)載供電。

（2）工作狀態(tài)2：5us~16us

開關(guān)管M1在5us~6us之間開通，并一直保持開通狀態(tài)到16us，此時(shí)電路開關(guān)狀態(tài)如圖2（a）所示。由于電路開關(guān)狀態(tài)發(fā)生突變，電路進(jìn)入暫態(tài)。由于開關(guān)管的閉合，開關(guān)管兩端的電壓降為零，電感兩端產(chǎn)生電壓降，電感電流開始線性增長，電感開始儲存能量；此時(shí)二級管D1處于關(guān)斷狀態(tài)，輸出端由電容Co向負(fù)載RL提供能量，電容上的輸出電壓Vout在下降，為了能更明顯的看清波形，我們將其電壓波形放大后如圖6所示，這就意味著電容在釋放剛剛靜態(tài)時(shí)儲存的能量。

（3）工作狀態(tài)3：16us~30us

開關(guān)管M1在16us~17us之間關(guān)斷，并保持關(guān)斷狀態(tài)直到30us，電路處于如圖2（b）所示的工作狀態(tài)。在此階段，電路開關(guān)狀態(tài)再次發(fā)生突變，電路仍然處于暫態(tài)過程中。由于電感電流的連續(xù)性，電感L1的線

圈產(chǎn)生的磁場將改變線圈兩端的極性，以保持電感電流IL不變，因此電感電壓在這一時(shí)段出現(xiàn)負(fù)電壓，放大后的電感電壓波形如圖7所示，此電壓是由線圈的磁能轉(zhuǎn)化而成的，它與電源Vi串聯(lián)，以高于Vi的電壓向電路的后級供電，使電路產(chǎn)生了升壓作用。此時(shí)，電感向后級釋放能量，電感電流不斷減小，電感電流通過二極管D1到達(dá)輸出端后，一部分給輸出提供能量，一部分給電容充電，可以看到，電容上的電壓在上升，電容開始儲存能量。

電路在5us~30us時(shí)間段之間的工作過程是Boost變換器的第一個(gè)工作周期，此后變換器重復(fù)上述過程工作至穩(wěn)態(tài)過程。

4.2 穩(wěn)定（態(tài)）過程分析

觀察圖5中電感上的功率WL1的波形，因?yàn)閃L1為正表示電感吸收能量，WL1為負(fù)表示電感釋放能量，WL1波形曲線與時(shí)間軸所圍面積即為相應(yīng)時(shí)間內(nèi)電感傳遞能量的大小。不難看出Boost變換器在工作的前兩個(gè)開關(guān)周期中，電感儲存的能量大于釋放的能量。第二個(gè)周期開始時(shí)，電感電流在第一個(gè)開關(guān)周期的基礎(chǔ)上增長，并進(jìn)一步儲存能量，在開關(guān)斷開時(shí)，電感釋放出更大能量，以更高的VM1向負(fù)載提供更高的輸出電壓，圖5中第二周期電感電壓的負(fù)電壓幅值大于第一周期也恰恰說明了這一點(diǎn)。但是應(yīng)該注意到，電感上負(fù)電壓的幅值又與電感電流下降的斜率成正比，隨著電路的工作，每個(gè)周期電感提供的負(fù)電壓越來越大，電感電流下降斜率也隨之增加，直到在每個(gè)開關(guān)周期末，電感電流值下降到此工作周期開始時(shí)的電感電流值，此時(shí)電感吸收的能量等于其釋放的能量，電感不再進(jìn)一步儲能。開關(guān)關(guān)斷時(shí)電感提供的負(fù)電壓不會(huì)再增加，電感電流下降的斜率也不會(huì)再增加，電感進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。

與電感類似，輸出電容也存在著由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡過程，可以采用對電感分析時(shí)所采取的能量方法進(jìn)行分析，在此不再贅述。

用PSpice對Boost變換器的模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，輸出電壓Vout的波形、電感上功率的波形和電感電流IL1的波形如圖8所示，由此可見，電路輸出電壓、電感電流在1. 4ms左右趨于穩(wěn)定，變換器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。值得注意的是，電感電流在前l(fā)ms內(nèi)形成了一個(gè)峰值，這是由于前l(fā)ms內(nèi)，電感和輸出電容上的能量不斷增加導(dǎo)致的，它反映了電感和電容由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡工作過程中，器件自身的能量存儲的過程。