李晓淞，黄茜
（辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛，125000）
0 引言
DC-DC 变换器在日常生活中应用范围非常广泛，无论是常见的手机充电器，电脑电源，还是汽车充电桩都应用了该变换器。
而Sepic 变换器是DC-DC 变换器中的一种常见升降压变换器，其具有升降电压的功能，它能保证正压输出，及其输入输出同极性，并可进行输入输出的隔离。目前，它已经被应用于大量的电气工程领域，比如我国许多新能源发电设备中都应用了Sepic 变换器，如光伏发电系统[1]。本文将对简易的Sepic 电路设置参数，对应用PSIM 软件对其进行仿真分析，研究该电路不仅能加深理论基础，更能为工程实践提供指导作用。
1 Sepic 电路设计与原理
Sepic 变换器具有诸如主电路，驱动电路，保护电路等，而在其中实现对直流电压升降压功能的是主电路，而控制电路则在仿真中以门极触发信号代替，其余检测电路等对影响实验结果较小，因此本文电路设计与原理和仿真部分主要只对主电路进行研究。
■1.1 Sepic 主电路图
主电路由直流电源(E)，MOSFET(VT)，滤波电容(C1,C2)，二极管VD，储能电感(L1,L2)和负载电阻R 构成如图1 所示。
图1 Speic 主电路图
■1.2 Sepic 电路拓扑结构拆分
Sepic 升降压电路的拓扑结构是根据Boost 升压斩波电路和Buck 降压斩波电路组合而成，因而具有升降压功能，根据其输入电流连续输出电流不连续的特点，以及Buck 和Boost 电路的结构特点对其进行拆分，即输入端直接串联电感，以此保持电感电流连续，输出端负载不与电感串联，即输出端不连续。
选取Boost 电路的输入部分如图2 与Buck 电路的输出部分如图3 进行组合，中间部分采用电容（图1 中C1）进行级联，再调整一下Buck 电路部分的元件位置(图4 中VD与L) 就构成了Sepic电路。
图2 Boost 电路输入电流连续部分
图3 Buck 电路输电流不连续部分
图4 调整后的Buck 电路
图5 基于PSIM 的Sepic 仿真电路
■1.3 Sepic 电路模态分析
（1）VT 导通时：此时E-L1-VT，C1-VT-L2形成两个回路，电源E 向电感L1进行充电，同时电容C1放电向电感L2进行充电，此时二极管VD 不导通，负载部分C2向电阻R 放电。
（2）VT 处于关断状态时，此时E-L1-C1-VD－负载(C2-R)与L2-VD－负载(C2-R)形成两个回路，此时电源E 和储能电感L1 同时向负载供电，同时C1 进行充电，在下一次VT导通时C1 向L2 进行充电，重新构成C1-VT-L2 回路，而L2 向电容C2 与电阻R 进行放电。
■1.4 Sepic 电路参数设置与计算
(1)本文设置电路工作在连续工作模式下，给定参数，验证其升降压功能：
表1 实验参数设定
（2）参数计算：设置MOS 管开通时间为ton，关断时间为toff，周期为T占空比为。
针对储能电感L1，吸收能量和释放的能量时所处回路为E-L1-VT 与E-L1-C1-VD-C2-R，应用伏秒平衡原理得：
同理可得对于电感L2：
由上面两式可得：
根据上述参数与公式计算其余参数（以降压实验为例）。
流过电阻的电流为：
根据能量守恒定则，从电源流出的稳定电流为：
对于器件的选取对于电感的规则是，在最小输入电压时使得纹波电流的大小约为稳定值得30%。
对于电容的选取规则是，在最小输入电压时使得纹波电压的大小约为稳定值得5%。
而控制MOSFET 的触发角为：α=0.2×360=72°
同理可得降压实验参数为：
2 仿真
■2.1 基于PSIM 搭建Sepic 电路
本文采用PSIM 软件对电路进行仿真，PSIM 软件具有用户见面友好，易于操作的特点，并且十分容易理解其中电路关系，极大程度加快了使用与实验过程。而PSIM 仿真软件由 PSIM 电路程序、PSIM 仿真器、SIMVIEW 波形形成过程项目组成，易于安装、容易掌握、仿真速度快捷并且该软件运行效率较高，对波形的展示十分优秀，因此本文采用该软件进行实验[2-3]。电路中VP1 和VP2 为测量输入与输出电压的电压表，由此进行电压波形的测量，验证其升降压功能，并在电路中MOS 管处加入门极触发信号，频率以及根据占空比设计触发角。
■2.2 设置Sepic 电路参数
根据1.4 部分所计算的升降压实验的电路参数进行设置，设置仿真时间为0.01s，步长为5E-007s，设置时需注意脉冲触发量的设置[4-5]如图6 所示，仿真电路如图7 与8所示。
图6 降压触发脉冲参数设置
图7 升压电路的电路参数
图8 降压电路的电路参数
■2.3 设置Sepic 电路参数
开始仿真后，观察VP1，VP2 两个电压表所测量的输入输出电压波形如图9 与10 所示，输出电压在误差允许范围内皆达到升降压实验要求，与理论分析完全一致。
图9 升压电路输出波形
图10 降压电路输出波形
图11 升压电路稳定时输出
图12 降压电路稳定时输出
■2.4 误差
将两实验仿真输出与理论输出对比，输出稳定后，观察发现升压实验误差为5%左右，降压实验误差约为1.6%左右。
导致误差的原因可能有：（1）在计算电容电感选取数值时，理论计算后，对一些无限循环小数进行了近似取舍(2)电路中未加入保护电路，在电力电子期间关断时可能会有过电压与过电流现象的发生，造成误差。
基于以上考虑，这时需要设计一适当地保护电路，主要由RCD 缓冲电路与di/dt 抑制电路构成保护电路如图13 所示。
图13 保护电路
在没有缓冲电路时，V(无论是MOS 管还是IGBT)在开通时电流上升速度较快，容易产生较大的di/dt，在关断时，则容易产生较大的du/dt，出现很高的过电压。连接缓冲电路后，在V 开通时，缓冲电容Cs 会通过电阻Rs 向V 放电造成iC 上升了一个台阶，后续因为由di/dt 抑制电路的Li的原因，iC上升的速度会变缓。同时，电路中的Ri，VDi 为V关断时的Li 中的磁场提供放电回路。V 关断时，负载电流会有部分经VDs 向Cs 分流，大大减轻了V 的工作负担，抑制了du/dt 和过电压。但因为关断V 时电路中的电感的能量还需要释放，因此还会出现一定的过电压现象。
■2.5 增加保护电路的改进
在Speic 电路中，以L1 同时充当Li，经查阅资料与反复调试后，设置Ri 为1kΩ，Rs 为10Ω，Cs 为40μF，电路图如图14 所示。
图14 改进后的电路
再将电路进行改进后，重新进行升降压电路的实验，实验结果如图15 与图16 所示，在新产生的波形图中，稳点前的波形正如2.4 中所述出现了一定的过电压现象，并且系统达到稳定的时间有所增长，振荡现象明显，如图17 与图18 所示，但是经过重新计算稳定时两实验的误差，升压实验误差达到0.83%而降压实验误差为1%，实验误差明显下降，但是，在电路初始阶段波形稳定性较差，在减小误差的同时一定程度上牺牲了稳定性。
图15 改进后的升压实验
图16 改进后的降压实验
图17 升压实验波形稳定时输出
图18 降压实验波形稳定时输出
3 结语
由上述实验可得出，输入电压经Sepic 变换器进行调压后，能得到稳定的直流电压，且与理论推导值相近，而Sepic 变换器对电路升降压功能的控制是由控制占空比控制的，当ρ>0.5实现升压功能，0<ρ<0.5时实现降压功能。在原电路基础上经保护电路改进后，稳定后的输出电压数据误差明显减小。
同时PSIM 软件的目前在国内应用较少，本文的研究对Sepic 电路的理解与掌握具有重要意义，同时对PSIM 的推广具有重要价值。
