高功率因數整流器的PSpice仿真

分類：技術教程日期：2011-07-06 00:00:00 來源：西部工控網

1 概述

　　隨著計算機輔助設計軟件的涌現，越來越多的電子設計自動化（EDA）軟件應運而生，成為設計人員的得力工具。而PSpice軟件作為當今應用廣泛的EDA 軟件之一，是電子電路計算機輔助分析和設計中常用的一個通用軟件，對電路模擬分析的精度較高，使設計人員不必搭焊實際電路，而直接進入計算機模擬分析階段，非常方便。兼之其PSpice 仿真計算中采用了精確的半導體器件模型，稀疏矩陣技術等，使得PSpice 仿真在數學、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，電網的諧波污染和無功問題日益嚴重，主要原因是電力半導體器件及電力電子設備裝置的廣泛應用。而特別針對于傳統的開關電源，大量采用不控整流加電解電容濾波供電，其網側電流波形為尖峰脈沖，輸入電流波形嚴重畸變，功率因數非常低。為滿足要求，有必要采用功率因數校正技術。

　　本文研究的高功率因數整流器，主電路采用橋式整流，再級聯以Boost 升壓式斬波器作為功率因數校正環節，如圖1 所示。圖中，L 為儲能電感；VT為通斷開關，可采用MOS 管或IGBT等開關管；RS 為檢測電流的電阻，R 為負載，C 發揮濾波作用。通過對升壓斬波環節控制其電感電流跟蹤輸入電壓變化來降低輸入電流的畸變，并通過閉環控制，達到功率因數校正的目的。

2 高功率因數整流器的控制電路結構

　　高功率因數整流器的核心部分為開關管VT的控制電路部分，本方案控制部分電路結構簡單易懂，主要包括PI 調節器環節、乘法器環節、電壓電流檢測環節、開關管驅動環節以及滯環比較環節。而其中的關鍵是滯環比較環節的設計，滯環比較環節電路原理圖如圖2所示。

　　滯環比較器是在電壓比較器的基礎上引入了正反饋，形成了滯環控制。輸出電壓u憶o 為+UZ 或-UZ，其中+UZ 和-UZ 為運算放大器的正負電源電

3 高功率因數整流器的PSpice仿真

　　PSpice 通用電路模擬軟件是能在微型計算機上運行的SPICE 程序。SPICE 是Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis 的縮寫，它由美國加州大學伯克利分校于20世紀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，在計算的可靠性、收斂性及仿真速度等方面都有改進，并擴展了許多新功能。它增加了統計分析及電路特性的最壞情況分析，擴展了DC分析時的全部參數掃描，提高了參數分析能力。PSpice模擬器可以模擬被分析電路的直流特性、交流特性及瞬態特性，可以進行溫度特性、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界面，以窗口及下拉菜單的方式進行人機交流，并在書寫源程序的文本文件輸入方式基礎上，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，給使用者帶來極大方便。目前，在眾多的計算機輔助分析與設計軟件中，PSpice軟件被國內外工程技術人員、專家、學者公認為是通用電路模擬程序中最優秀的軟件。

　　應用PSpice對電路進行仿真首先就是要確定電路拓撲結構，建立起電路作業文件。本文采用了PSpice 作業輸入文件的兩種描述形式之一的作業圖形文件，即在PSpice的Schematics 環境下建立的電路原理圖文件。首先啟動PSpice程序，新建一工作區，設置好文件的名稱和路徑，文件的后綴為.sch。此時會出現一空白的MicroSim Schematics的文件界面，即可開始繪制電路的原理圖。

　　繪圖時，根據設計好的原理圖，可首先在對應的原器件庫里選擇出所需要的元器件，放置在Schematics 面板上。例如，在Analog.slb 庫中提取電阻、電容、電感等元器件；在Source.slb 庫中提取正弦電壓源；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合適的位置上。就可以在Draw 菜單下單擊Wire 項進行連線，把組件的端點按原理圖連接起來。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確無誤，否則會導致原理圖無法進行仿真。

　　接下來就是對電路進行仿真分析了，在此之前要通過菜單Setup 項進行分析設置，制定何種分析，并設置相關參數，這也是利用圖形輸入進行PSpice 模擬分析的關鍵。它包括直流分析、交流分析、溫度分析、瞬態分析等多種分析模式。在此，本課題研究單位功率因數整流電路，就是要驗證電路輸入電流與輸入電壓之間接近同相位的關系，即功率因數近似為1，也就是通過比較輸入電壓和輸入電流隨時間變化的波形的相位關系，所以在這里進行的是瞬態分析。在Setup 中選中Transient項并進行進一步的參數設置。

　　參數設置完成后，即可對電路進行仿真分析，通過調整電路的各項參數，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；交流側電流波形為完好的正弦波，并且功率因數為1，如圖6 所示；輸出電壓也逐漸趨于平穩，紋波系數很小，如圖7 所示。

　　設計的關鍵在于各項參數的選擇確定。通過輸入電壓與輸入電流的波形對比可以看出，經過有效控制后，輸入電流基本與輸入電壓同相，且進行了實時跟蹤，輸入電流波形也非常接近正弦波，使畸變問題得到了很好的解決，達到了控制的目的。通過調節給定值及負載大小都可產生相應的跟蹤變化，調節參數值即可達到預期的調節結果。