基于开关平均化模型的pfc电路仿真

深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、PCB 快速制造、SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话223基于开关平均化模型的 PFC 电路仿真摘要：采用开关器件的平均化模型，根据实际电路工作原理，建立适用于 PSPICE 软件的 PFC 电路仿真模型。采用此模型进行仿真、具有速度快、实现简单且与实际电路结合密切的特点。模型的准确性由所建模型与实际电路模型仿真结果的比较得到证实。 关键词：PFC 仿真平均化 1 引言在电力电子系统的研究中，仿真研究由于其高效、高精度及高的经济性与可靠性，而得到大量应用。近二十年来，仿真已逐渐成为电力电子 CAD 的有力工具。当前，PFC 电路是电力电子研究领域的一个热点，对于 PFC 电路本身来说，具有非线性和时变的特性。电路的仿真研究，对于电路分析和参数优化选择具有重要意义，极大地方便了电路设计。但由于 PFC 电路工作频率较高，若采用 PSPICE 软件进行瞬态仿真，电路开关周期限制了仿真步长的取值。同时，由于 PFC 电路控制采用双环结构，电路结构复杂。这样，就占用了大量的机时。使仿真的高效性大打折扣。鉴于此，文献1提出了基于系统建模法的 PFC 电路模型仿真。该模型用受控源实现了电路的数学模型描述式，模型与实际电路无密切联系。且模型假设电路功率因数为 1，从而使电流控制环特性无法在模型中得到反映。本文利用开关的平均化模型代替开关模型，并利用 PSPICE 软件丰富的受控源器件建立了 PFC 电路的双闭环仿真模型。该模型与实际电路结构密切结合，且大幅度减少了仿真占用机时，提高了仿真效率。在本文中，将采用开关器件物理模型的 PFC 电路仿真模型简称为开关模型，将采用开关器件平均化模型的 PFC 电路仿真模型简称为平均化模型。2 开关的平均化模型利用 PSPICE 软件对电路开关模型进行瞬态分析时，在每一个开关时刻都要进行一次电路状态方程的求解。由于 PFC 电路工作频率较高，所以，电路的仿真要占用大量机时。而通过建立开关平均化模型，在电路开关周期小于电路时间常数的条件下，利用低频，平均化等效电路（如受控源）代替变换器中的开关器件，使仿真过程避免了在每一个开关时刻求解电路状态方程，从而提高了仿真速度。对于图 1(a)所示的电路结构，当电感电流连续时（CICM） ，在一个开关周期内，设开关的占空比为D，开关 S 两端电压平均值为：UAB=(1D)Uo(1) 流过二极管的电流平均值为： ID=(1D)IL(2)基于式（1） （2） ，我们可分别用受控电压源代替主开关，用受控电流源代替续流二极管，得到原电路在一个开关周期内的平均化模型。与原电路相比，输入电感两端平均电压与经续流二极管流入电路末端深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、PCB 快速制造、SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话223的平均电流保持不变。3PFC 电路仿真模型的建立 3.1 主电路模型我们采用开关平均化模型代替 PFC 电路主开关和续流二极管，其余电路元器件仍采用实际电路模型。这样的好处在于使仿真电路最大限度地与实际电路保持一致。3.2 控制电路模型对于采用平均电流控制的 PFC 电路来说，其控制器为双环结构。其中由电压外环决定电流内环参考信号，使电路输入输出功率保持平衡。通过电流内环控制开关通断，使输入电感电流实现对电流参考信号的精确跟踪。在实际电路中，电流内环参考信号是由电流与电压同步的信号 KUIN、电压外环调节器输出AV.out、和输入电压有效值 URMS 三路信号按式（3）综合后得到的2：IREF=KUINAVOUT/U2RMS(3)在电路模型中，我们利用乘法器实现了上式。对于 1/U2RMS 项，电路须做一次平方和一次除法运算，这将使仿真模型的复杂性和仿真占用时间增加。为此，在建模中采用离线计算，然后将其作为式（3）的相乘因子。对于电流调节器，模型与实际电路一致。在实际电路工作时，由电流调节器的输出与稳定的锯齿波进行比较来控制开关通断。在受控源模型中，由于电流调节器输出不含开关频率脉动，假设稳定的锯齿波幅值为 5V，代替主开关和续流二极管的两个受控源控制式中均含有的因子（1D）可表示为，（1D）=1Ai.out/5(4)在 PSPICE 元件库中，表格式电压受控源可以按照数学表达式对控制信号进行运算。在此，我们用一个表格式电压源实现式（4） 。最后，加上电压调节器就完成了整个系统模型的建立。完整的模型如图 2所示：乘法器电压源 E1 代替了主开关，乘法器电流源 G1 代替了续流二级管。式（3）由乘法器电压源 E2和乘法器电流源 G2 实现，式（4）由表格式电压源 E14 实现。在模型中用到了电流控制电压源 H1，主要是用来把电流信号转换为适合受控源输入信号要求的电压信号。4 仿真结果分析为了验证平均化模型的准确性，将电路开关模型与平均化模型仿真结果进行了对比。仿真是利用PSPICE 软件进行 150ms 的瞬态分析，开关频率为 100kHz。从仿真结果看，对于开关模型的动态过程中，电压峰值为 81.4V，稳态时，电压脉动为 8.4V，输出电压平均值为 73.6V，输入电感电流峰值为 4.8A。对于平均化模型的动态过程中，电压峰值为 80.8V，稳态时，电压脉动为 8.3V，输出电压平均值为深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、PCB 快速制造、SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话22373.4V，输入电感电流峰值为 4.76A。由于仿真结果的差别非常小，所以我们有理由认为，平均化模型有很高的可信度。前已叙及，平均化模型是开关电路的低频等效模型。所以，对于低频信号或信号中的低频成分，两种模型应当等效，为此，我们对 PFC 电路仿真结果中的网侧输入电流波形进行了傅立叶分析，由于信号所含的频率在 1kHz 到开关频率之间的成分近似为零，所以，我们截取 1kHz 以下的频谱进行对照。结果见图 3，其中（a）图为电路实际模型输入电流频谱， （b）图为平均化模型输入电流频谱。两图对照几乎重合。以 50Hz 为中心频率进行分析，结果表明， （a）图中心频率傅立叶系数为 4.57A，谐波含量为6.2， （b）图中心频率傅立叶系数为 4.46A，谐波含量为 5.9。可以证明两个模型的低频等效性。然而，最令人振奋的是两种模型仿真占用机时的比较。在奔腾 300 微机上做 150ms 瞬态分析，采用开关模型共花费 2 小时 13 分，而采用平均化模型只用了 25 秒。后者速度为前者的数百倍。这对于电路参数（如调节器）的仿真优化尤为可贵。但由于电路开关过程的平均化，一些瞬态参数如电感电流脉动，开关器件承受的瞬态电压（流）等不能在仿真结果中表现出来，这可以从原始模型仿真结果中得到。此外，从仿真波形上看，受控源模型仿真曲线不光滑，可能是由于两种模型高频特性的差异造成的。 5 结论本文利用开关器件受控源模型代替开关器件模型，并结合电路实际工作原理建立了工作于电感电流连续模式（CICM）的 PFC 电路平均化仿真模型。该模型与开关模型相比，有以下特点：（1）在保证仿真准确度的前提下，提高速度数百倍。（2）与实际电路结合密切，减小了由于模型引起的仿真与实验结果差异，提高了仿真的可信度，也便于利用仿真实现电路参数优化。 参考文献1 王燕等，基于系统建模法的 PFC 电路仿真，电力电子技术,1999 年第 1 期。2PhlipsTUC3854ControlledPowerFactorCorrectionCircuitDesign,UnitrodApplicationNote,1994.pp303322.作者简介 孙建峰 男 1976 年生，研究生。研究方向：高功率因数开关电源。 邬伟扬 男1940 年生，教授。研究方向：高频 AC/DC 功率变换，牵引调速系统的保护与故障诊断，电力传动与控制。 刘彦民男深圳金百泽电子科技股份有限公司（www.kbse