前言：

SaberEXP是Synopsys開發(fā)的基于線性分段模型的電力電子系統(tǒng)仿真軟件。主要應(yīng)用覆蓋電力電子技術(shù)、機電伺服、熱及數(shù)字控制等領(lǐng)域。相比于SPICE等類型的模型，SaberEXP的模型在保證模型精度的前提下，仿真速度更快，收斂性能更好。

由于SaberEXP是建立在無積分誤差的分段線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，因此，對于剛性功率電力電子電路，特別是在頻域分析中，它比SPICE等類型的工具能更準(zhǔn)確更快速獲得仿真結(jié)果。

近期，才略科技將陸續(xù)推出一些SaberEXP應(yīng)用方面的文章和案例，以加深廣大用戶對SaberEXP的了解和認識。

概述：

本示例演示了以非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)工作的AC-DC功率因數(shù)控制(PFC)升壓轉(zhuǎn)換器的工作原理。使用電壓反饋環(huán)路將輸出保持恒定，同時使交流輸入電流與交流輸入電壓同相。

圖1 AC-DC PFC升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

介紹：

AC-DC升壓功率因數(shù)校正（PFC）變換器通常用于要求輸出電壓高于輸入電壓且輸入電源為交流的場合。boost變換器拓撲結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于PFC中，由于輸入側(cè)的電感有助于存儲輸入電流，因此可以從交流電源中提取高功率因數(shù)的電流。這個例子演示了boost轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制，其電流與交流輸入電壓同相。

本文通過仿真詳細分析了交直流功率因數(shù)校正升壓變換器的設(shè)計過程。在此類應(yīng)用中，升壓變換器的輸入是正弦波。期望的輸出電壓幅值大于交流輸入電壓的峰值。在非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)下，升壓變換器的輸入電流與占空比和交流輸入電壓的大小成正比。

如果占空比保持恒定且輸入電壓為正弦波形，則輸入電流將遵循相同的模式，因此將實現(xiàn)高功率因數(shù)。為了更詳細地理解這個操作，我們可以分析控制升壓電感電流的方程。在這個分析中，假設(shè)功率開關(guān)是理想的，并且輸出電壓紋波可以忽略不計。

交流輸入電壓方程可以表示為Eq(1)：

通過整流橋輸出后點電壓方程為Eq(2)：

在升壓變換器的DCM控制中，升壓電感在每個開關(guān)周期中都是斷開的，下圖顯示了升壓變換器工作在DCM模式時，開關(guān)周期中的電感電流：

因此，電感的峰值電流可表示為Eq(3)：

其中，L表示升壓變換器中的電感。D表示占空比，Ts表示開關(guān)周期。對應(yīng)給定的Vm，固定的占空比和開關(guān)周期，電感的峰值電流是的函數(shù)。從而保證了交流輸入電壓和輸入電流相位一致。

圖2 開關(guān)周期內(nèi)升壓電感器電流波形圖

從圖1和圖2可以看出，電感電流的正斜率取決于vin和升壓電感，這是因為開關(guān)導(dǎo)通且升壓電感器通過二極管整流器跨接在輸入電壓源上。電感電流的負斜率發(fā)生在開關(guān)斷開且升壓二極管pwld5導(dǎo)通時。然后將升壓電感器連接在vin和vout之間，因此向下的電流斜率取決于vin，vout和升壓電感。通過仔細設(shè)計升壓電感的值，電感電流始終保持在DCM中，如圖3所示。

圖3電源頻率的半個周期內(nèi)升壓電感器電流波形圖

總之，該控制方案利用恒定的占空比和頻率來實現(xiàn)高功率因數(shù)。實現(xiàn)了單個電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，以控制占空比，以便將直流輸出電壓保持在所需值。這種方法的缺點見下面。

1.電感器的額定電流必須高于連續(xù)導(dǎo)通模式（在相同功率水平下，平均電流小于DCM峰值電流）。
2.控制回路要比一個功率頻率周期慢，這樣可以避免諧波的產(chǎn)生。

直流輸出電壓通過使用比例積分（PI）控制器的電壓反饋回路進行調(diào)節(jié)。

設(shè)計細節(jié)

表 1設(shè)計規(guī)格

表 2設(shè)計公式

仿真

使用SaberEXP仿真AC-DCPFC升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計，以驗證PFC和升壓操作。要檢查升壓變換器是否將交流輸入電流與交流輸入電壓同相，以及直流輸出電壓是否調(diào)節(jié)到設(shè)計值，請執(zhí)行以下步驟：

圖4 SaberEXP 仿真界面

1.在結(jié)束時間設(shè)置為1的情況下運行瞬態(tài)分析。

2.仿真完成后，繪制交流輸入電流（short.i_ac：i），交流輸入電壓（v_sin.v_sin1：v）和輸出電壓（vout）的波形，以檢查性能。結(jié)果顯示在圖5中，以供參考。

圖5 AC-DC PFC升壓變換器仿真結(jié)果

從上圖中可以看到，該電路具有較高的功率因數(shù)。

如果要檢查輸入電流基波幅值和其他諧波頻率，可以對輸入電流(short.i_ac:i)做一次FFT分析：

1.繪制輸入電流波形(short.i_ac:i)

2.打開波形編輯器

3.打開FFT界面

4.輸入FFT計算起始時間0.95，顯示波形

5.點擊波形x軸，將坐標(biāo)變?yōu)閘og形式，通過設(shè)置yview將y軸單位改為A。

FFT輸出結(jié)果如下，峰值電流頻點是60Hz，電流大小12A()。

結(jié)論

使用SaberEXP軟件快速而方便地對DCM中的AC-DC升壓PFC轉(zhuǎn)換器進行了設(shè)計和仿真，以驗證PFC和升壓操作的控制方法。

進行瞬態(tài)分析和FFT有助于了解用于功率因數(shù)校正的升壓轉(zhuǎn)換器的控制。下一步可以考慮在輸入側(cè)添加一個濾波器，這樣將有助于濾除交流輸入電流中出現(xiàn)的高頻分量。

你可以將本設(shè)計從SaberEXP導(dǎo)出到SaberRD，更進一步的詳細實現(xiàn)、驗證、可靠性和功能安全性分析。