基于SEPIC架構(gòu)電路的驗(yàn)證與仿真

北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院微電子學(xué)系 屈天凱 王彥虎 林 璐 楊飛泠

1.引言

傳統(tǒng)功率因數(shù)校正PFC電路一般采用Boost電路該電路輸出電壓比輸入電壓高難以實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的電氣隔離而反激電路構(gòu)成的PFC電路必須工作在電感電流斷續(xù)狀態(tài)往往需要大體積的電磁干擾EMI濾波器而SEPIC電路用于PFC有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)由于其前級(jí)類(lèi)似于Boost變換器因此可保證輸入電流的連續(xù)性并減少EMI而其輸出級(jí)又類(lèi)似于反激電路易于實(shí)現(xiàn)電氣隔離[1]為此基于SEPIC的PFC電路正受到越來(lái)越多的關(guān)注。

目前SEPIC電路廣泛用在DC-DC變換電路之上，對(duì)于AC-DC變換電路的研究比較少，在AC-DC變換基礎(chǔ)之上SEPIC電路是否可行，通過(guò)實(shí)際SEPIC應(yīng)用電路來(lái)證明。做開(kāi)關(guān)電源前期最基本的工作要進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證與仿真，鑒于SEPIC電路仿真的難點(diǎn)在于器件模型庫(kù)的建立與器件的選擇，以下內(nèi)容針對(duì)SEPIC結(jié)構(gòu)電路進(jìn)行隔離與非隔離技術(shù)，針對(duì)仿真的難點(diǎn)加以論述。

圖1 sepic電路結(jié)構(gòu)

圖2 電感L1和L2的電流波形

圖3 SEPIC電路的仿真結(jié)構(gòu)圖

圖4 電感L1、L2上電流波形圖

圖5 輸入電壓電流波形圖

2.SEPIC電路工作原理[1]

本文重點(diǎn)在于對(duì)SEPIC電路的仿真，因此原理性的東西僅作簡(jiǎn)單介紹：

（1）階段1（ton時(shí)段），開(kāi)關(guān)S開(kāi)通，輸入電源對(duì)電感L1充電，存儲(chǔ)于電容C1中的電荷對(duì)電感L2充電；

（2）階段2（tdon時(shí)段），開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，充在電感L1上的電荷對(duì)電容C1放電，充在電感L2上的電荷通過(guò)二極管D對(duì)負(fù)載放電；

（3）階段3（Ts-ton-tdon時(shí)段），通過(guò)二極管的放電電流減小至零，二極管自然關(guān)斷，L1，C1，L2形成低頻振蕩，但時(shí)間常數(shù)較大，故在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，振蕩形成的回路電流可視為恒定不變。

一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感L1和L2上的電流如圖2，可以看出輸入電流是連續(xù)的，當(dāng)紋波電流irp較小時(shí)，輸入電流波形良好地跟隨輸入電壓波形，PFC功能自然地實(shí)現(xiàn)。但是，要達(dá)到良好跟隨特性，必須滿(mǎn)足的必要條件是：在開(kāi)關(guān)S開(kāi)通之前，二極管電流減小到零使二極管關(guān)斷，也可表示為：ton+tdon＜Ts，在文獻(xiàn)[2，3]中又稱(chēng)為電流不連續(xù)條件，這里“不連續(xù)”指輸出而不是輸入。在這一條件下，Simonetti等[3]推導(dǎo)出的輸入電流的低頻表達(dá)式為

式中：d為占空比；Leq=L1L2/(L1+L2)；Vinpk為輸入電壓峰值；ω為輸入電壓頻率；Ts為開(kāi)關(guān)周期；Ipk為輸入電流峰值。

3.PSPICE電路對(duì)SEPIC電路的實(shí)驗(yàn)仿真

輸入電壓：18Osin（2π5Ot）；

輸出電壓：Vo=1OOV；

開(kāi)關(guān)管頻率：fs=5Okhz；

輸出功率：P=1OOW；

輸出電阻：R=1OOΩ；

L1=2.4mh，L2=149uh，d=O.295，C1=O.39，C2=5OOuf，

該電路圖如圖3所示，

圖4所示電感L1、L2上仿真電流波形圖，其中紅色代表L2，綠色代表L1，仿真波形和理想波形很吻合，可以說(shuō)明在開(kāi)關(guān)管段時(shí)間，L1、L2、和C1構(gòu)成諧振電路，故電流近似恒定不變。

輸入電壓電流波形如圖5所示，綠線代表電流，紅線代表電壓，其輸入電壓電流波形理想，達(dá)到了PFC的目的。

為了驗(yàn)證變壓器模型是否取的合適，采取不帶磁芯的變壓器，電路如圖6所示，其中初次級(jí)線圈電感量都為149uh，所以線圈匝數(shù)比n=1:1。

將無(wú)磁芯變壓器中L2的電壓電流和沒(méi)有變壓器的電壓電流做了對(duì)比，紅色表示沒(méi)有變壓器電流波形，綠色表示有變壓器電流波形，圖7是電壓波形，兩電壓波形完全重合。電感電流本應(yīng)不能突變，但從綠線看出在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，變壓器電流突然變成負(fù)的然后呈線性增加和紅線重合。

再觀察輸出有變壓器和無(wú)變壓器波形如圖8所示，從圖中我們可以看出輸出電壓完全重合，所以按照線圈匝數(shù)n=1:1的變壓器和無(wú)變壓器電路基本上一樣的，說(shuō)明所選變壓器模型合適。

4.結(jié)論

圖6 不帶磁芯的變壓器電路

圖7 所示L2電壓電流波形

圖8 有變壓器和無(wú)變壓器輸出電壓波形

PSPICE仿真軟件的波形圖和理論分析完全吻合，所以可以證明在AC-DC變換基礎(chǔ)之上SEPIC電路是可行的。

[1]劉鳳君.現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008

[2]Sabastian J,Uceda J,CobosJAetal.Improving powerfactor correction in distributed power supply systems usingPWM