基于Proteus 软件的直流变换电路分析研究

谭阳

（重庆电力高等专科学校电气工程学院，重庆，450053）

0 引言

在电力电子技术中，直流变换电路的功能是将直流电变成另一固定电压或者可调电压的直流电，也称斩波电路[1]。直流变换电路应用非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、有源功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源[2]。降压斩波电路和升压斩波电路是直流变换电路中最常用的两种电路。

Proteus 软件是英国Lab Center Electronics 公司开发的EDA 工具软件，其强大的电路设计、仿真和PCB 制版功能，深受广大电子设计爱好者青睐。本文运用Proteus 软件搭建降压斩波电路和升压斩波电路模型，通过改变电路的元件类型和参数，既可视化分析了电路的输出电压波形，又动态测试了元件参数对电路输出电压的影响，为具体工程应用提供了一种非常方便的新方法。

1 基本斩波器的工作原理

最基本的直流斩波电路如图1(a)所示，负载为纯电阻R。当开关T 闭合时，负载电压u o=Ud，并持续时间ton称为开通时间；当开关T 断开时，负载上电压uo= 0，并持续时间toff称为关断时间。斩波电路的工作周期为TS=ton+toff，斩波器的输出电压电流波形如图1(b)所示。

图1 基本斩波器的工作原理

只要调节k，即可调节负载的平均电压。占空比k的改变可以通过改变ton或toff来实现，通常斩波器的工作方式采用脉宽调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM）工作方式，即维持周期T不变，改变导通时间ton[3～4]。

2 降压斩波电路Proteus 仿真分析

降压斩波电路仿真电路如图2 所示，图中开关管采用绝缘栅场效应管2SK1058，续流二极管采用肖特基极二极管12TQ045。图中R2、R3和Q2构成简单的电压驱动电路，进行倒相放大；C1、D2构成自举电路，形成驱动电路的工作电源，以保证功率开关管获得足够的控制电压而饱和导通，提高电源效率。

图2 降压斩波电路原理图

输入电压Ui=24V，激励源选用Pulse 脉冲工作方式，边际脉冲P 电压为6V，工作频率为2kHz，脉冲宽度为k′=25%，经过倒相，实际输出脉冲宽度125μs，占空比k为75%。在Proteus 软件图表模式中调出瞬态仿真模式，将电压探针Q1(S)和电流探针L1(2)拖入图表，静态仿真测试如图3 所示。

图3 降压斩波电路不接滤波电容时输出电流波形

■2.1 不接滤波电容的情况

在图2 降压斩波电路中断开C2，按空格键进行图表仿真，改变控制信号P 的频率和占空比，重复测试输出波形，可以发现电流波形是一个指数特性波形，当放电时间小于时间常数τ=L/R=83μs 时，波形连续。若占空比为k=50%，放电时间0.25ms 是时间常数τ 的3 倍，电流波形临界连续，如图3(a)；若占空比为k=10%，放电时间0.450ms 是时间常数τ 的5.4 倍，电流波形断续，如图3(b)。当放电时间远大于时间常数τ 时，波形断续。测试表明输出电压脉动情况与时间常数τ=L/R 的值有关，如果时间常数τ＞＞T（脉冲周期），则电流基本为一条直线。

■2.2 接滤波电容的情况

在图2 降压斩波电路中连接C2，重复上述测试，则输出电压脉动减小，当电容的滤波效应大于电感时，输出电压公式计算有较大误差，原因是电容的储能作用使输出电压提高，但是电源的外特性变差。表1 为降压斩波电路接滤波电容时不同占空比的输出电压测量值和计算值。如图4(a)～(b)所示为降压斩波电路接滤波电容时不同占空比的电流波形。

表1 降压斩波电路接滤波电容时的输出电压测量值和计算值

图4 降压斩波电路接入滤波电容时输出电流波形

测试表明，在接入滤波电容时输出电压会有所提高，电路极容易振荡，导致损耗增大，效率下降，所以一般开关电源使用平滑滤波电容时容量不能太大。合理计算滤波电感保证输出电压的稳定非常重要。

图5是时间常数τ远大于控制脉冲周期T时的电流波形。表2 为降压斩波电路时间常数τ＞＞控制脉冲周期T 时不同占空比的输出电压计算值和测量值。

表2 降压斩波电路τ＞＞T时不同占空比的输出电压计算值和测量值

图5 降压斩波电路τ＞＞T 时不同占空比输出电流波形

测试电压与理论值对比存在误差，这是由于开关管管压降存在损耗，导致输出电压降低。因此，选择具有低管压降的开关管及续流二极管非常重要。

3 升压斩波电路Proteus 仿真分析

如图6(a)所示为升压斩波电路仿真原理图。该电路当中的开关管Q1选用IRF1407 或2SK1058 两种型号，开关二极管D1选用10TQ045S 或1N4148 两种型号；设置电感L1=100mH，电容C1=1000μF；直流激励源Ui参数编辑为5V；脉冲激励源U(G) 的频率Uf=1kHz，占空比k=0.5(50%)，电压探针R1(1)用于测试输出电压，电压探针L1(2)用于测试开关管Q1 两端的电压变化；模拟图表（ANALOGUE ANALYSIS）用于观察开关管和输出电压波形。

图6 升压斩波电路开关管为IRF1407 时的仿真测试和输出电压波形

当开关管选用IRF1407，U(G)=5V，占空比k=0.5 时，动态仿真运行观察升压斩波器输出电压波形，测试输出电压平均值，如图6(a)所示。

测试表明输出电压为8.67V，高于输入电压，但与理论计算值10V 比较有较大误差，需要分析产生误差的原因。该电路导致输出电压下降的主要原因有以下几种情况：

（1）开关元件的性能不良

将图6 中的开关管IRF1407 替换为2SK1058 型号的管子，重新测试，输出电压波形如图7 所示。

图7 升压斩波电路开关管为2SK1058 时的仿真测试和输出电压波形

与图6 比较，可以发现采用2SK1058 后输出电压下降，观察波形幅度由前图的10V，下降为现在的7V，存在有1.5V的导通电压降。由于两个管子特性不同，在相同的驱动下，其管压降不同，导致输出电压不同。开关管导通电压降增加了电路的损耗，从而降低了效率，也减小可靠性。

（2）驱动电压不足将导致输出电压下降

将图7 中的脉冲电源的幅度提高到8V，重复上述仿真，升压斩波电路测试波形如图8 所示。在驱动电压提高后，输出电压提高到8.24V，观察波形幅度达到8.5V，导通压降减小到0.9V 左右。

图8 Q1 为2SK1058 型号U(G)=8V 时的仿真测试和输出电压波形

（3）电感参数设置不合理

将图8 中的电感量改为10mH，升压斩波电路测试输出波形如图9 所示。

图9 开关管为2SK1058 型号，L1=10mH 时的仿真测试和输出电压波形

图10 采用肖特基二极管的仿真测试和输出电压波形

图11 开关频率为10kHz 时的仿真测试和输出电压波形

与图8 比较，输出电压略有下降，观察输出电压波形发现，由于电感减小，要储存相同的能量，需要的电流增大，管压降增大，导致输出波形底部变斜，从而损耗增大。

（4）开关二极管的选择不合理

开关二极管改为肖特基二极管（10TQ045S）可以减小该电路损耗，提高输出电压，U0=9.32～9.799V，平均值为9.56V，如图10 所示。

（5）开关频率太低

将Q1 开关频率从1kHz 提高到10kHz，输出电压波形变得平滑，峰值电压为10V，输出电压提高到9.73V，如图11(a)所示。由此说明，增大开关频率可以降低输出电压波动，从而提高输出电压。

4 总结

通过Proteus 软件仿真研究表明，当降压斩波电路满足时间常数τ 大于控制脉冲周期T 时，输出电压波动小，质量高，其输出电压值基本与理论公式吻合。开关器件的静态和动态性能、电路的内阻决定斩波电路输出电压的误差大小。斩波电路的开关频率越高，需要的平波电抗器电感量越小，体积、重量都会减小。由于τ 值与负载有关，因此，在设计平波电抗器时需要按照最小值τ和开关频率计算电感量。目前，斩波电路的开关频率一般考虑20kHz 以上，以减小开关噪声对维护人员的危害。通过上述分析表明，降压斩波电路和升压变换电路一样，由于器件的管压降，驱动电压的不足，电感、电容的参数和开关频率的参数不合理均可能导致输出电压下降。