2012年3月廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版Mar.2012第29卷第1期Journal of Guangxi Teachers Education University: Natural Science EditionVol 29 No. 1文章編號(hào):1002-8743(2012)01-0051-07基于 PLECS的 Boost電路熱分析劉桂英,楊艷玲2,王華華1,戴海清(1.廣西師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,廣西南寧530023;2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西柳州545005)摘要:電力電子器件熱分析是當(dāng)今電力電子技術(shù)研究的一個(gè)重要發(fā)展方向.該文以 PLECS軟件為平臺(tái),以Bost電路為對(duì)象,對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行熱分析,借助于 PLECS的熱模塊對(duì)開關(guān)器件的溫度、開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗進(jìn)行分析,提出一種新的熱損耗分析方法,為實(shí)際器件選擇和散熱器設(shè)計(jì)提供參考關(guān)鍵詞: Boost電路; PLECS;熱分析中圖分類號(hào):TM74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言電力電子器件熱分析是當(dāng)今電力電子技術(shù)研究的一個(gè)重要發(fā)展方向,尤其是隨著大功率器件電路應(yīng)用越來越廣泛,器件的熱分析顯得非常重要,是當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)PLECS是一款用于電路和控制結(jié)合的多功能仿真軟件,由瑞士 PLEXIM GmbH公司開發(fā),非常適用于電力電子和傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析 PLECS以其準(zhǔn)確快速的性能、友好的操作界面、獨(dú)特的熱分析功能、C語言控制器和諸多強(qiáng)大的波形分析工具等眾多優(yōu)勢(shì),成為當(dāng)今電力電子工程師追捧的一款仿真軟件.本文借助于 PLECS的熱模塊對(duì) Boost電路的開關(guān)器件進(jìn)行熱分析,避免了繁瑣的理論分析和公式推導(dǎo),提出了一種新的熱分析方法2電氣特性仿真分析利用 PLECS軟件的元件庫,建立Bst變換器的仿真電路,如圖1所示.圖中電氣參數(shù)L=1.0ePulse GneratorL: 1. 0e4:24c:2006=R:5熱板圖1 Boost電路仿真圖中國煤化工收稿日期:2011-03-12基金項(xiàng)目:廣西自然科學(xué)基金(桂科自099103);廣西教育廳科研項(xiàng)目(2CNMHG與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(桂科攻10100002-8)作者簡(jiǎn)介:劉桂英,教授,碩士生導(dǎo)師研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)52廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版第29卷4H,C=200e-6F,R=50,電源電壓1=24V.改變占空比D大小,分別為D=0.3和0.7時(shí),對(duì)電路進(jìn)行仿真分析,輸出電壓和輸入電流波形如圖2和圖3所示輸出電壓輸出電壓∴:w120+·:≥3020,,,,,,,,·,,·20·輸入電流140輸入電流EAnI·;0401·;;···;MML A aat10刪開防№H0+………÷…0.00.552.02.53.00.00.5152.02.53.0時(shí)間(s)時(shí)間(s)圖2D=0.3時(shí)輸出電壓和輸入電流波形圖3D=0.7時(shí)輸出電壓和輸入電流波形為了解決得到穩(wěn)態(tài)波形需要運(yùn)行很長時(shí)間的問題, PLECS軟件設(shè)計(jì)了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析功能,可以直接進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行分析,圖4和圖5就是利用此功能,占空比D=0.3和0.7時(shí)輸入電流和輸出電壓的穩(wěn)態(tài)波形34.634.434.2813433.6∴..1..…,433.4輸入電流7626884208:34445X1e-45x le-4圖4D=0.3時(shí)穩(wěn)態(tài)輸出電壓和輸入電流波形圖5D=0.7時(shí)穩(wěn)態(tài)輸出電壓和輸入電流波形從圖中可以看出:(1)由于輸入端有電感,輸入電流連續(xù),EMI小,總諧波失真小(2)輸出電壓大于輸入電壓峰值,符合u2=關(guān)系,與理論分析一致(3)D=0.3時(shí),電壓在33.5V~34.6V波動(dòng),變化量為1.1V;而D=0.7時(shí),電壓在45V~61V波動(dòng),變化量為6V.隨著占空比的增大,電壓紋波增大利用圖1仿真電路,還可對(duì)電路進(jìn)行深入分析,比如改變電感L值,觀察CCM和DCM運(yùn)行模式下電流波形;分別改變電容C和負(fù)載電阻R值,觀察輸入電流輸出電壓波形的變化情況,進(jìn)行頻譜分析;觀察開關(guān)器件和二極管電流電壓波形,深刻理解開關(guān)器件電壓應(yīng)力情況,全面理解Bost電路的特性由于本文主要討論熱分析,在此不做展開說明中國煤化工3熱仿真分析CNMHG借助 PLECS的 Thermal模塊庫里的散熱板 Heat Sink、熱阻和熱容 Thermal Chain、熱流儀表Wm中國煤化工CNMHG中國煤化工CNMHG第1期劉桂英,等:基于 PLECS的 Boost電路熱分析55IGBT溫度:〓 Cunction temp94.328594.328094.327594.327094.3265100散熱板溫度TEmperature散熱板溫度94.3280994,32752800.51.01.52.02.53.01e-4圖18D=0.7時(shí)GBT和散熱板溫度波形圖19D=0.7時(shí)1GBT和散熱板穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度波形另外,從圖17和圖19中看出,占空比D=0.3時(shí)溫度大致為31.04℃,D=0.7時(shí)溫度大致為9432℃,表明占空比變大,開關(guān)管IGBT導(dǎo)通時(shí)間增加,溫度增高,與實(shí)際情況基本相符3.3開關(guān)損耗和熱流分析開關(guān)管損耗主要包括開通損耗、導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗三部分,而開通損耗和關(guān)斷損耗合在一起稱為開關(guān)損耗,損耗分析仿真圖如圖20所示nd lossIGBT探針I(yè)G盯T平均損耗二極管損耗總損耗二極管探針totalAvg Loss Calel極管平均損耗總損耗和熱流量Probefs: 10e3圖20損耗分析仿真圖在許多情況下,損耗關(guān)注的是平均功耗.圖21為計(jì)算一個(gè)周期平均損耗的原理圖,其中Pa為導(dǎo)通損耗信號(hào),Esw為開關(guān)損耗信號(hào),由IGBT或二極管探針模塊提供,sync為開關(guān)周期.圖20中AvgLoos Calc是依據(jù)圖21用C語言編寫計(jì)算平均功率的模塊cond(4,)condsyncEn,↑,-三凵中國煤化工圖21平均損耗計(jì)算原理圖CNMHG取占空比D=0.3和0.7時(shí),對(duì)電路進(jìn)行損耗分析如圖22~圖29所示.從圖中可見,IGBT的損耗比二級(jí)管的損耗大,而且隨著占空比的增大,兩者相差更大,與實(shí)際基本相符廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版第29卷￥號(hào)m二極管導(dǎo)通損耗000003.0×1e-4IGBT開關(guān)損耗極管開關(guān)損耗switching loss金1.60501.00.50.圖22D=0.3時(shí)1GBT損耗波形圖23D=0.3時(shí)二極管損耗波形60IGBT導(dǎo)通損耗平二極管導(dǎo)通損耗平均值onduction loss-Av conduction TossL0十·440+44∴#IGBT開關(guān)損耗平均值0.3:極管開v switching loss i0.20.0世……………………………4IGBT總損耗平均值二極管總損耗ESum5u]0……1……………10.00.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0時(shí)間(s)時(shí)間(s)圖24D=0.3時(shí)GBT平均損耗圖25D=0.3時(shí)二極管平均損耗IGBT導(dǎo)通損耗二極管導(dǎo)通損耗EGB conduction lossde conduction oss800600十…800IGBT開關(guān)損耗二極管開關(guān)損耗攔u, switching loss]1.4金1.0086420.00.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0時(shí)間(s)時(shí)間(s)圖26D=0.7時(shí)|GBT損耗波形HD=0.7時(shí)二極管損耗波形中國煤化工CNMHG第1期劉桂英,等;基于 PLECS的 Boost電路熱分析57IGBT導(dǎo)通損耗平均值導(dǎo)通.EAv conduct ion Toss二極管開關(guān)損耗平均tching loss-Ay switching lossIGBT總損耗平均值極管總損耗-Sum0……1}…宀…00.00.51.01,52.02.53.0時(shí)間(s)時(shí)間(s)圖28D=0.7時(shí)GBT平均損耗圖29D=0.7時(shí)二極管平均損耗熱流量是一定面積的物體兩側(cè)存在溫差時(shí),單位時(shí)間內(nèi)由導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射方式通過該物體所傳遞的熱量.通過物體的熱流量與兩側(cè)溫度差成正比,與厚度成反比,并與材料的導(dǎo)熱性能有關(guān),在圖6中,wm為熱流量儀表.圖30和圖31為占空比D=0.3、0.7時(shí)開關(guān)器件(IGBT和二極管)總損耗和熱流圖總損耗和900總損耗和熱流800+…………00.00.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0時(shí)間(s)圖30D=0.3時(shí)開關(guān)器件總損耗和熱流圖31D=0.7時(shí)開關(guān)器件總損耗和熱流4結(jié)束語熱分析是電力電子系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),由于集成包裝和更高功率密度的不斷要求而變得越來越重要 PLECS讓用戶在早期階段完成電氣設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì),以便為每一個(gè)特定的方案提供一個(gè)高質(zhì)量的解決方法本文詳細(xì)介紹了在 PLECS軟件平臺(tái)上,對(duì)Bost電路進(jìn)行損耗分析的過程,提出了一種新的熱損耗分析方法,為實(shí)際器件選擇和散熱器設(shè)計(jì)提供參考參考文獻(xiàn):[1]劉宇航,潘庭龍,ZT- BOOST軟開關(guān)變換器雙閉環(huán)控制及其 PLECS仿直源術(shù)25(4):35.2]李泉峰,姚文熙呂征字基于 PLECS的三相隔離BUCX仿真研究[機(jī)中國煤化12[3]王武基于Maab和 PLECS的電力電子仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與CNMHG[4]湯仁彪. PLECS在電路分析中的應(yīng)用[J].金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,10(3):3337[下轉(zhuǎn)第65頁]第1期李玲,等:基于對(duì)立學(xué)習(xí)的PSO算法研究65[6] RAHNAMAYAN H, TIZHOOSH SALAMA M. Opposition-based differential evolution[J]. IEEE Transactions on Evoluionary Computation, 2008, 12(1): 64-79[7] MALISHIA A R. Investigating the application of opposition based ideas to ant algorithms[ M]. Master's thesis, Universityof waterloo. 2007[8]董明剛,牛秦洲,楊祥基于對(duì)立學(xué)習(xí)的螺栓遺傳算法[J]計(jì)算機(jī)工程,2009,35(20):239241[9]麥雄發(fā),李玲,彭昱忠.基于RO和對(duì)立學(xué)習(xí)的細(xì)菌覓食算法[J].計(jì)算機(jī)工程,2011,37(23):171-173A Research into PSO algorithm Based onStochastic Opposition LearningLI Ling)a, PAN Xiao-jing, MAI Xiong-fatb(1. Guangxi Teachers Education University, a Collge of Continuing Educationb. College of Mathematical Sciences, Nanning, 5300012. Hechi No. 3 Senior High School, Hechi 547500, China)Abstract: In order to improve the performance of Particle Swarm Optimization(PSO)and acceleratethe convergence speed, two improved PSOs named as QOPSO and QRPSO are proposed based on stochasticopposition. The two different kinds of stochastic opposition learning are employed in population initialization and generation jumping, which can improve the quality of solutions. Simulation results on six benchmark functions show that the two proposed algorithms are superior to the SPSO and the OPsoKey words: stochastic opposition; Particle Swarm Optimization; optimization[責(zé)任編輯:黃天放][上接第57頁[5] CIOBOTARU M, KEREKES T,等.利用 MATLAB/ Simulink圖形環(huán)境和 PLECS模塊庫仿真太陽光電(PV)換流器[J].國際電力電子技術(shù),2007(8):60-64[6]孔凡燕,潘庭龍.基于 PLECS的Buck變換器模糊PID控制[J]現(xiàn)代電子技術(shù),2008,19(282):95101[7]孔凡燕潘庭龍. PLECS在DC/DC變換器中的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù),2008,25(1):5254[8]王光旭基于 Multisim的Bost電路仿真研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2010,6(23):662966319]鄒劍華,林維明,汪晶慧.低電壓應(yīng)力 Buck/Boost PFC的開關(guān)器件損耗分析[J.低壓電器,2008(9):475010]曹建安,等. Boost PFo電路中開關(guān)器件的損耗分析與計(jì)算[J.電工電能新技術(shù),2002,21(1):4144[11]賀冬梅,等.幾種 Boost電路的功率損耗分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].電力電子技術(shù),2005,39(6):70-73PLECS-based Boost Circuit Thermal AnalysisLIU Gui-ying, YANG Yan-ling, WANG Hua-hua', DAI Hai-qing(1. Physics and Electronic Engineering, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530023, P R China2. Liuzhou Vocational College of Technology, Liuzhou 545005, P. R. ChinaAbstract: The thermal analysis of power electronic devices is an important development trend for thestudy of current power electronics technology. This article aims at providing a new method of heat lossanalysis as a reference for the actual device selection and the heat-away design on the platform of PLECSsoftware, boost circuit for thermal analysis of switching devices by ana中國煤化工 switchingdevices, switching losses and conduction losses with the PlecS thernCNMHGKey words boost circuit; PLECS; thermal analysis責(zé)任編輯:班秀和