基于PLECS的Boost电路热分析

2012年3月广西师范学院学报:自然科学版Mar.2012第29卷第1期Journal of Guangxi Teachers Education University: Natural Science EditionVol 29 No. 1文章编号:1002-8743(2012)01-0051-07基于 PLECS的 Boost电路热分析刘桂英,杨艳玲2,王华华1,戴海清(1.广西师范学院物理与电子工程学院,广西南宁530023;2.柳州职业技术学院,广西柳州545005)摘要:电力电子器件热分析是当今电力电子技术研究的一个重要发展方向.该文以 PLECS软件为平台,以Bost电路为对象,对开关器件进行热分析,借助于 PLECS的热模块对开关器件的温度、开关损耗和导通损耗进行分析,提出一种新的热损耗分析方法,为实际器件选择和散热器设计提供参考关键词: Boost电路; PLECS;热分析中图分类号:TM74文献标识码:A1引言电力电子器件热分析是当今电力电子技术研究的一个重要发展方向,尤其是随着大功率器件电路应用越来越广泛,器件的热分析显得非常重要,是当今的一个研究热点PLECS是一款用于电路和控制结合的多功能仿真软件,由瑞士 PLEXIM GmbH公司开发,非常适用于电力电子和传动系统仿真分析 PLECS以其准确快速的性能、友好的操作界面、独特的热分析功能、C语言控制器和诸多强大的波形分析工具等众多优势,成为当今电力电子工程师追捧的一款仿真软件.本文借助于 PLECS的热模块对 Boost电路的开关器件进行热分析,避免了繁琐的理论分析和公式推导,提出了一种新的热分析方法2电气特性仿真分析利用 PLECS软件的元件库,建立Bst变换器的仿真电路,如图1所示.图中电气参数L=1.0ePulse GneratorL: 1. 0e4:24c:2006=R:5热板图1 Boost电路仿真图中国煤化工收稿日期:2011-03-12基金项目:广西自然科学基金(桂科自099103);广西教育厅科研项目(2CNMHG与技术开发计划资助项目(桂科攻10100002-8)作者简介:刘桂英,教授,硕士生导师研究方向:电力电子与电力传动、计算机应用技术52广西师范学院学报:自然科学版第29卷4H,C=200e-6F,R=50,电源电压1=24V.改变占空比D大小,分别为D=0.3和0.7时,对电路进行仿真分析,输出电压和输入电流波形如图2和图3所示输出电压输出电压∴:w120+·:≥3020,,,,,,,,·,,·20·输入电流140输入电流EAnI·;0401·;;···;MML A aat10删開防№H0+………÷…0.00.552.02.53.00.00.5152.02.53.0时间(s)时间(s)图2D=0.3时输出电压和输入电流波形图3D=0.7时输出电压和输入电流波形为了解决得到稳态波形需要运行很长时间的问题, PLECS软件设计了稳态运行分析功能,可以直接进入稳定运行分析,图4和图5就是利用此功能,占空比D=0.3和0.7时输入电流和输出电压的稳态波形34.634.434.2813433.6∴..1..…,433.4输入电流7626884208:34445X1e-45x le-4图4D=0.3时稳态输出电压和输入电流波形图5D=0.7时稳态输出电压和输入电流波形从图中可以看出:(1)由于输入端有电感,输入电流连续,EMI小,总谐波失真小(2)输出电压大于输入电压峰值,符合u2=关系,与理论分析一致(3)D=0.3时,电压在33.5V~34.6V波动,变化量为1.1V;而D=0.7时,电压在45V~61V波动,变化量为6V.随着占空比的增大,电压纹波增大利用图1仿真电路,还可对电路进行深入分析,比如改变电感L值,观察CCM和DCM运行模式下电流波形;分别改变电容C和负载电阻R值,观察输入电流输出电压波形的变化情况,进行频谱分析;观察开关器件和二极管电流电压波形,深刻理解开关器件电压应力情况,全面理解Bost电路的特性由于本文主要讨论热分析,在此不做展开说明中国煤化工3热仿真分析CNMHG借助 PLECS的 Thermal模块库里的散热板 Heat Sink、热阻和热容 Thermal Chain、热流仪表Wm中国煤化工CNMHG中国煤化工CNMHG第1期刘桂英,等:基于 PLECS的 Boost电路热分析55IGBT温度:〓 Cunction temp94.328594.328094.327594.327094.3265100散热板温度TEmperature散热板温度94.3280994,32752800.51.01.52.02.53.01e-4图18D=0.7时GBT和散热板温度波形图19D=0.7时1GBT和散热板稳态时温度波形另外,从图17和图19中看出,占空比D=0.3时温度大致为31.04℃,D=0.7时温度大致为9432℃,表明占空比变大,开关管IGBT导通时间增加,温度增高,与实际情况基本相符3.3开关损耗和热流分析开关管损耗主要包括开通损耗、导通损耗和关断损耗三部分,而开通损耗和关断损耗合在一起称为开关损耗,损耗分析仿真图如图20所示nd lossIGBT探针IG盯T平均损耗二极管损耗总损耗二极管探针totalAvg Loss Calel极管平均损耗总损耗和热流量Probefs: 10e3图20损耗分析仿真图在许多情况下,损耗关注的是平均功耗.图21为计算一个周期平均损耗的原理图,其中Pa为导通损耗信号,Esw为开关损耗信号,由IGBT或二极管探针模块提供,sync为开关周期.图20中AvgLoos Calc是依据图21用C语言编写计算平均功率的模块cond(4,)condsyncEn,↑,-三凵中国煤化工图21平均损耗计算原理图CNMHG取占空比D=0.3和0.7时,对电路进行损耗分析如图22~图29所示.从图中可见,IGBT的损耗比二级管的损耗大,而且随着占空比的增大,两者相差更大,与实际基本相符广西师范学院学报:自然科学版第29卷￥号m二极管导通损耗000003.0×1e-4IGBT开关损耗极管开关损耗switching loss金1.60501.00.50.图22D=0.3时1GBT损耗波形图23D=0.3时二极管损耗波形60IGBT导通损耗平二极管导通损耗平均值onduction loss-Av conduction TossL0十·440+44∴#IGBT开关损耗平均值0.3:极管开v switching loss i0.20.0世……………………………4IGBT总损耗平均值二极管总损耗ESum5u]0……1……………10.00.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0时间(s)时间(s)图24D=0.3时GBT平均损耗图25D=0.3时二极管平均损耗IGBT导通损耗二极管导通损耗EGB conduction lossde conduction oss800600十…800IGBT开关损耗二极管开关损耗拦u, switching loss]1.4金1.0086420.00.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0时间(s)时间(s)图26D=0.7时|GBT损耗波形HD=0.7时二极管损耗波形中国煤化工CNMHG第1期刘桂英,等;基于 PLECS的 Boost电路热分析57IGBT导通损耗平均值导通.EAv conduct ion Toss二极管开关损耗平均tching loss-Ay switching lossIGBT总损耗平均值极管总损耗-Sum0……1}…宀…00.00.51.01,52.02.53.0时间(s)时间(s)图28D=0.7时GBT平均损耗图29D=0.7时二极管平均损耗热流量是一定面积的物体两侧存在温差时,单位时间内由导热、对流、辐射方式通过该物体所传递的热量.通过物体的热流量与两侧温度差成正比,与厚度成反比,并与材料的导热性能有关,在图6中,wm为热流量仪表.图30和图31为占空比D=0.3、0.7时开关器件(IGBT和二极管)总损耗和热流图总损耗和900总损耗和热流800+…………00.00.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0时间(s)图30D=0.3时开关器件总损耗和热流图31D=0.7时开关器件总损耗和热流4结束语热分析是电力电子系统的重要环节,由于集成包装和更高功率密度的不断要求而变得越来越重要 PLECS让用户在早期阶段完成电气设计和散热设计,以便为每一个特定的方案提供一个高质量的解决方法本文详细介绍了在 PLECS软件平台上,对Bost电路进行损耗分析的过程,提出了一种新的热损耗分析方法,为实际器件选择和散热器设计提供参考参考文献:[1]刘宇航,潘庭龙,ZT- BOOST软开关变换器双闭环控制及其 PLECS仿直源术25(4):35.2]李泉峰,姚文熙吕征字基于 PLECS的三相隔离BUCX仿真研究[机中国煤化12[3]王武基于Maab和 PLECS的电力电子仿真实验教学J].实验技术与CNMHG[4]汤仁彪. 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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[责任编辑:黄天放][上接第57页[5] CIOBOTARU M, KEREKES T,等.利用 MATLAB/ Simulink图形环境和 PLECS模块库仿真太阳光电(PV)换流器[J].国际电力电子技术,2007(8):60-64[6]孔凡燕,潘庭龙.基于 PLECS的Buck变换器模糊PID控制[J]现代电子技术,2008,19(282):95101[7]孔凡燕潘庭龙. PLECS在DC/DC变换器中的应用[J].通信电源技术,2008,25(1):5254[8]王光旭基于 Multisim的Bost电路仿真研究[J].电脑知识与技术,2010,6(23):662966319]邹剑华,林维明,汪晶慧.低电压应力 Buck/Boost PFC的开关器件损耗分析[J.低压电器,2008(9):475010]曹建安,等. Boost PFo电路中开关器件的损耗分析与计算[J.电工电能新技术,2002,21(1):4144[11]贺冬梅,等.几种 Boost电路的功率损耗分析与实验研究[J].电力电子技术,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中国煤化工 switchingdevices, switching losses and conduction losses with the PlecS thernCNMHGKey words boost circuit; PLECS; thermal analysis责任编辑:班秀和