基于Pspice的交错并联BOOST变换器拓扑结构研究及其仿真

 随着电力电子行业的发展，电路设计的复杂程度越来越高，仿真作为一种便利的设计手段被广泛的应用于电路设计、分析和验证中，包括用于电路设计中的一系列仿真软件如MATLAB中的Simulink及其Pspice等软件，这些软件可以对电路中的信号进行仿真，让设计人员了解电路的工作特性，设计人员可以通过仿真来预测和验证电路设计的准确性，具有时效性强的优点，对于科学研究工作具有十分有用的价值。笔者在基于Pspice仿真软件的基础上对BOOST变换器的并联交错技术进行仿真分析，通过搭建Pspice模型分析了并联交错BOOST变换器的优点，即输出纹波很小适用于带载要求纹波小的设备，如应用于计算机的CPU等。

1 DC-DC变换器

DC-DC变换器的基本拓扑结构非为BUCK变换器、BOOST变换器和BUCK-BOOST变换器。由于DC-DC变换器中，输入端和输出端共地，所以也称为三端开关变换器。

开关变换器同三端线性调节器有很多相同点，例如输入电压不能调节，但是输出电压可以调节，在效率要求较高的情况下可以替代线性调节器，开关变化器在输入跟输出之间使用的是扼流圈而不是变压器。
BOOST电路是升压电路，升压电感完成升压，并通过电容保持电压值。其结构图如图1所示。

其工作状态如下当开关管导通时，输入直流电压流经电感，在稳态工作下，电感中的电流开始正向增加，二极管处于反向偏置，输出电容通过电阻放电，当开关管关断时，此时通过二极管续流，同时通过输出电容和电阻组成回路。此时，电感中的电流减小。

上面拓扑结构中，通过开关管开通和关断时，对电感运用伏秒平衡方程有下式：

从而通过调节占空比D可以调节输出电压。

BOOST变换器又称为升压变压器，输出电压的极性跟输入电压的极性相反。

通常电感值的选择要保证临界电流地域所需要的最小负载电流，另外，电感在最大负载和最小导通时间的情况下，不能饱和。

2 交错并联BOOST变换器

交错并联拓扑结构是通过开关变换器的并联得到，一般这种拓扑结构采用一个公用的滤波电路，相比一般的拓扑结构，交错并联拓扑结构本身有自身的好处，负载变化时的动态响应更快，功率处理能力强。
根据载波和信号波是否同步及载波比Ⅳ的变化(其中fc为载波频率，fr为调制信号)，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。

异步调制为载波信号与调制信号不同步的调制方式，在不变的情况下，变化时，载波比N由此发生变化。在信号波的半周期内，PWM的脉冲个数不固定，相位也不同，正负半周的脉冲不对称。

交错并联拓扑结构通过异步驱动每个并联的变换器的控制信号来实现，可以减少输出电压的纹波。

2．1 拓扑结构图

交错并联BOOST拓扑，如图2所示。


2．2 PSPICE仿真

Pspice是一种功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真软件，通过此软件可以对常用的电路进行仿真，同时还可以对电路中某一输出信号，用探针进行采样仿真，通过仿真给出仿真信号的波形，同时可以对信号进行直流分析和瞬态分析等，从而得到仿真结果。Pspice自带的基本电路特性分析功能包括直流分析，交流小信号频率特性分析，瞬态分析，傅里叶分析等。

交错并联BOOST电路的Pspice模型如图3所示。

交错并联BOOST拓扑公用一个电源，输出电容也为一个，通过PSpice软件中的ABM2模块实现，其输入为两路电压信号，输出为一路电压信号，上图中的两路控制信号PWM相位相差180°，通过设置的锯齿波信号与同一个输入信号比较得到。

交错并联BOOST拓扑中输入电流为两个电感电流的和，输入电压相同，在连续型模式下，相位差为，其中N为并联的变换器的个数，本课题中N为2，交错并联BOOST拓扑中的PWM信号的一种时序图如图4所示。

由图4的驱动波形分析扑结构的工作状态：

状态1当两个管子都为高电平时候，直流电源经过电感与地相连，输出电容通过输出电阻放电，状态2两个开关管中工，其中一个为高电平，一个为低电平，高电平的那只管子通过电感、开关管与地相连接，另外电感的感生电压使此时的电压方向反向，使正向的二极管导通，然后与输出电容、输出电阻相连接；状态3开关管都为高电平，直流电压经过电感与地相连，输出电容此时通过电阻放电，最后状态4与状态2相反，状态2中高电平的开关管在此时的电平变为低电平，原来状态2中的低电平的开关管此时电平变为高电平，此时直流电压同过电感，经过高电平的开关管与地连接，由于另一个并联的电感此时的电压反向，使二极管正向导通，通过二极管与电容、电阻连接。

由图3交错并联Boost电路的Pspice模型所测的各点的波形图如图5所示。

在输出电容为100μF时和300μF时，输出电压波形如图6所示。由图6可知道，增加输出电容值可以输出纹波电压减小。