基于开关平均化模型的PFC电路仿真

燕山大学孙建峰邬伟扬刘彦民（秦皇岛066004） 北满特钢公司李德

摘要：采用开关器件的平均化模型，根据实际电路工作原理，建立适用于PSPICE软件的PFC电

路仿真模型。采用此模型进行仿真、具有速度快、实现简单且与实际电路结合密切的特点。

模型的准确性由所建模型与实际电路模型仿真结果的比较得到证实。

关键词：PFC仿真平均化

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1引言

　　在电力电子系统的研究中，仿真研究由于其高效、高精度及高的经济性与可靠性，而得到大量应用。近二十年来，仿真已逐渐成为电力电子CAD的有力工具。当前，PFC电路是电力电子研究领域的一个热点，对于PFC电路本身来说，具有非线性和时变的特性。电路的仿真研究，对于电路分析和参数优化选择具有重要意义，极大地方便了电路设计。但由于PFC电路工作频率较高，若采用PSPICE软件进行瞬态仿真，电路开关周期限制了仿真步长的取值。同时，由于PFC电路控制采用双环结构，电路结构复杂。这样，就占用了大量的机时。使仿真的高效性大打折扣。鉴于此，文献[1]提出了基于系统建模法的PFC电路模型仿真。该模型用受控源实现了电路的数学模型描述式，模型与实际电路无密切联系。且模型假设电路功率因数为1，从而使电流控制环特性无法在模型中得到反映。本文利用开关的平均化模型代替开关模型，并利用PSPICE软件丰富的受控源器件建立了PFC电路的双闭环仿真模型。该模型与实际电路结构密切结合，且大幅度减少了仿真占用机时，提高了仿真效率。在本文中，将采用开关器件物理模型的PFC电路仿真模型简称为开关模型，将采用开关器件平均化模型的PFC电路仿真模型简称为平均化模型。

2开关的平均化模型

　　利用PSPICE软件对电路开关模型进行瞬态分析时，在每一个开关时刻都要进行一次电路状态方程的求解。由于PFC电路工作频率较高，所以，电路的仿真要占用大量机时。而通过建立开关平均化模型，在电路开关周期小于电路时间常数的条件下，利用低频，平均化等效电路（如受控源）代替变换器中的开关器件，使仿真过程避免了在每一个开关时刻求解电路状态方程，从而提高了仿真速度。

（a）开关物理模型（b）开关平均化模型

图1电路仿真模型

　　对于图1(a)所示的电路结构，当电感电流连续时（CICM），在一个开关周期内，设开关的占空比为D，开关S两端电压平均值为：

UAB=(1－D)Uo(1)

流过二极管的电流平均值为：

ID=(1－D)IL(2)

基于式（1）（2），我们可分别用受控电压源代替主开关，用受控电流源代替续流二极管，得到原电路在一个开关周期内的平均化模型。与原电路相比，输入电感两端平均电压与经续流二极管流入电路末端的平均电流保持不变。