基于LTspice仿真的开关电路设计与研究

    杨鼎全

    

    

    

    摘要：当下，开关电路在电力电子领域发展迅速，并且得到广泛应用。在电路中加入开关可以有效降低甚至消除功率损耗，削弱電磁干扰，进而使开关的频率提升，开关电源的体积也变得更小、重量更轻、能量密度更高。该文结合现有文献，对开关电路进行简单分类，同时利用LTspice仿真软件，设计了两种开关电路，并结合仿真图像数据进行了对比分析，数据表明引入谐振的开关电路更具有优越性。

    关键词：LTspice仿真;开关电路

    中图分类号：TP311? ? ? 文献标识码：A

    文章编号：1009-3044（2021）16-0247-02

    开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

    1 介绍

    当下电力电子装置逐渐向高集成度和高频化的方向发展，对于装置内部各元器件的功耗效率及电磁特性提出了更高的要求[1]。目前装置的体积和重量有很大一部分被滤波电感、电容和变压器所占有，为了适应发展趋势，集成电路和滤波器等逐渐实现小型化和轻量化，从而达到减少体积重量的目的[2]。但如果为了实现高频化过度使用普通硬开关电路，则会导致电路本身的效率很低，并且会使开关的损耗增加，电磁干扰增大。为了解决上述问题，在电路设计过程中，引入了以谐振为主的软开关设计方法，借以解决原有设计中开关损耗和电磁干扰的问题。此类电路称为软开关电路，软开关电路与传统的硬开关电路相比，将原有的滤波用电感和电容更换为谐振电感和电容，并且在电路中引入谐振技术，使得开关电路工作时电路中的电压值先下降至零，在关闭时电流值先下降至零，这样可以有助于减少开关电路工作中电流和电压的相互干扰，并且可以有效限制电性能指标的变化率，以达到降低功耗减小开关噪声的目的，因此软开关电路的开关频率可以得到显著提高[3]。

    2 基于LTspice仿真的模型搭建及参数设置

    本文选择Ltspice作为仿真软件进行开关电路设计，该软件占用空间小、内含仿真元件多、易于操作、仿真速度快并且所得到的仿真波形图更直观[4]。本文利用Ltspice仿真软件分别搭建普通的硬开关电路和引入谐振的软开关电路，并对两种电路的电压、电流以及功率损耗波形进行对比研究。

    2.1 硬开关电路设计

    普通的开关电路也叫硬开关电路，在开关过程中电压、电流均不为零，在同一时间段内电流和电压有较多的重叠，电路两端的电压和通过元器件的电流值都很大，因此会产生很大的损耗。本文首先使用一个电压源、一个MOSFET、两个二极管、一个电感、一个电容、一个电阻和一个电压表进行仿真建模，为了便于具体研究，本文用BSC077N12NS3型号的MOSFET和一个二极管构成开关电路中的开关，具体仿真模型见图1所示。

    该开关电路模型的具体参数设置为L=72[μH]，C=1000[μF]，R=2.5Ω，占空比D=0.4，开关频率f=800kHz，输入电压[Uin]=15V，仿真时间t=0.01s，时间间隔1e-8s。经计算可得如图2所示的电压源参数值：

    2.2 引入谐振的软开关电路设计

    在硬开关电路设计基础上，本文在Ltspice仿真中引入了谐振技术，增加了电感电容以及反并联二极管。加入谐振电感和电容后，可在原有的开关电路中构造辅助换流网络，使开关开通过程中电压和电流不同时发生变化，开通前电压先减低至零，关断时电流先减低至零，因此在开关过程中重叠大大减少，整个电路的损耗和开关噪声也极大降低。本文所设计的开关电路为零电压开关准谐振电路，即开关中的电压在开关开通前先降为零，该开关电路仿真模型见图3所示。

    除了增加了一个谐振电感Lr=1.2[μH]，谐振电容Cr=10.5nF，其他参数设置和硬开关电路相同。

    对于引入谐振的开关电路来说，首先要用公式验证该电路能否满足成为软开关电路的条件，只有成为软开关电路，才能有效减小开关损耗。具体的验证公式如下：

    [uCrt=LrCrILsinωrt-t1+Ui]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

    其中[ωr=1LrCr]，[t1≤t≤t4]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

    最终可得零电压开关准谐振电路实现软开关的条件：

    [LrCrIL]≥[Ui]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

    如果正弦项的幅值小于[Ui]，[uCr]就不可能谐振到零，开关就不可能实现零电压开通，也就不能有效减小开关损耗。

    2.3 开关电路重要参数

    在完成两种开关电路仿真模型设计后，可以通过计算得出已知模型的评判结果，其中对于开关电路的主要考量参数包括功率损耗和开关损耗。

    要计算开关电路的功率损耗，首先要计算输出电压，也就是开关两端的电压，即用图3中的输入电压V1的值减去电压表V2所测的值。输出电压[UO]的计算公式如下：

    [UO=U1-U2=Un001-U（n002）]? ? ? ? ? ?（4）

    开关损耗是衡量一个开关电路好坏的标准，其计算方法是用输出电压[UO]乘以流过开关的电流[Id]。开关损耗P的计算公式如下：

    P[=UO×I=（U1-U2）×Id]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

    3 两种开关电路的仿真结果对比

    使用LTspice仿真软件对设计的两种开关电路模型进行仿真计算，具体结果如下。

    3.1 硬开关电路

    由图4，图5可知，普通开关电路在开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，因此有显著的开关损耗。

    3.2 引入谐振的軟开关电路

    对于软开关电路，首先验证实现软开关的条件。从图6中可看出稳定时的[IL]≥2.0A，根据公式（3）可计算得出[LrCrIL≥21.38≥15=Uin]，因此谐振电容两端的电压可谐振至0，电路可实现零电压开通。

    由图6、图7可知，在仿真过程中通过引入谐振设计的软开

    关电路，可以有效减少电压电流重叠，其功率损耗也极大减小，由最高32W降低至4W左右。虽然此时谐振电压的峰值高于输入电压的2倍，开关的耐压必须相对提高，但该设计有效提升了开关电路的效率，能否满足当前电力电子设备的使用要求。

    4 总结

    本文基于LTspice仿真软件设计了两种开关电路，通过仿真对比可知，引入谐振的软开关电路可以消除电压电流在开关工作中的重叠，并且可以极大降低功率损耗，减少开关噪声，虽然需要相对高的耐压水平，但该电路能够适应目前电力电子设备的使用条件，满足电力电子设备向小型化和轻量化发展的主流趋势，所以引入谐振的开关电路更具有优越性。

    参考文献：

    [1] 李天波，吴新建，隋毅力.高频开关电源的技术现状与发展趋势[J].数码世界，2020（10）：278-279.

    [2] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京：机械工业出版社，2008.

    [3] 石黄霞，何颖，董晓红.电力电子软开关技术综述[J].微处理机，2013，34（4）：1-6.

    [4] 于飞，刘丽娜.软开关技术及其应用仿真分析[J].电子测量技术，2020，43（6）：21-26.

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