基于SEPIC架构电路的验证与仿真

北方工业大学信息工程学院微电子学系 屈天凯 王彦虎 林 璐 杨飞泠

1.引言

传统功率因数校正PFC电路一般采用Boost电路该电路输出电压比输入电压高难以实现输入输出之间的电气隔离而反激电路构成的PFC电路必须工作在电感电流断续状态往往需要大体积的电磁干扰EMI滤波器而SEPIC电路用于PFC有着独特的优势由于其前级类似于Boost变换器因此可保证输入电流的连续性并减少EMI而其输出级又类似于反激电路易于实现电气隔离[1]为此基于SEPIC的PFC电路正受到越来越多的关注。

目前SEPIC电路广泛用在DC-DC变换电路之上，对于AC-DC变换电路的研究比较少，在AC-DC变换基础之上SEPIC电路是否可行，通过实际SEPIC应用电路来证明。做开关电源前期最基本的工作要进行电路结构的验证与仿真，鉴于SEPIC电路仿真的难点在于器件模型库的建立与器件的选择，以下内容针对SEPIC结构电路进行隔离与非隔离技术，针对仿真的难点加以论述。

图1 sepic电路结构

图2 电感L1和L2的电流波形

图3 SEPIC电路的仿真结构图

图4 电感L1、L2上电流波形图

图5 输入电压电流波形图

2.SEPIC电路工作原理[1]

本文重点在于对SEPIC电路的仿真，因此原理性的东西仅作简单介绍：

（1）阶段1（ton时段），开关S开通，输入电源对电感L1充电，存储于电容C1中的电荷对电感L2充电；

（2）阶段2（tdon时段），开关S关断，充在电感L1上的电荷对电容C1放电，充在电感L2上的电荷通过二极管D对负载放电；

（3）阶段3（Ts-ton-tdon时段），通过二极管的放电电流减小至零，二极管自然关断，L1，C1，L2形成低频振荡，但时间常数较大，故在开关周期内，振荡形成的回路电流可视为恒定不变。

一个开关周期内电感L1和L2上的电流如图2，可以看出输入电流是连续的，当纹波电流irp较小时，输入电流波形良好地跟随输入电压波形，PFC功能自然地实现。但是，要达到良好跟随特性，必须满足的必要条件是：在开关S开通之前，二极管电流减小到零使二极管关断，也可表示为：ton+tdon＜Ts，在文献[2，3]中又称为电流不连续条件，这里“不连续”指输出而不是输入。在这一条件下，Simonetti等[3]推导出的输入电流的低频表达式为

式中：d为占空比；Leq=L1L2/(L1+L2)；Vinpk为输入电压峰值；ω为输入电压频率；Ts为开关周期；Ipk为输入电流峰值。

3.PSPICE电路对SEPIC电路的实验仿真

输入电压：18Osin（2π5Ot）；

输出电压：Vo=1OOV；

开关管频率：fs=5Okhz；

输出功率：P=1OOW；

输出电阻：R=1OOΩ；

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

该电路图如图3所示，

图4所示电感L1、L2上仿真电流波形图，其中红色代表L2，绿色代表L1，仿真波形和理想波形很吻合，可以说明在开关管段时间，L1、L2、和C1构成谐振电路，故电流近似恒定不变。

输入电压电流波形如图5所示，绿线代表电流，红线代表电压，其输入电压电流波形理想，达到了PFC的目的。

为了验证变压器模型是否取的合适，采取不带磁芯的变压器，电路如图6所示，其中初次级线圈电感量都为149uh，所以线圈匝数比n=1:1。

将无磁芯变压器中L2的电压电流和没有变压器的电压电流做了对比，红色表示没有变压器电流波形，绿色表示有变压器电流波形，图7是电压波形，两电压波形完全重合。电感电流本应不能突变，但从绿线看出在开关关断时，变压器电流突然变成负的然后呈线性增加和红线重合。

再观察输出有变压器和无变压器波形如图8所示，从图中我们可以看出输出电压完全重合，所以按照线圈匝数n=1:1的变压器和无变压器电路基本上一样的，说明所选变压器模型合适。

4.结论

图6 不带磁芯的变压器电路

图7 所示L2电压电流波形

图8 有变压器和无变压器输出电压波形

PSPICE仿真软件的波形图和理论分析完全吻合，所以可以证明在AC-DC变换基础之上SEPIC电路是可行的。

[1]刘凤君.现代高频开关电源技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2008

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