【正文】 無污染、低維修的特點受到廣泛關(guān)注。獨立的超級電容器自儲能充電電路包括一個自啟動、自供電電路和一個前饋控制的boost變換器。本論文中設(shè)計的自啟動電路是一個無源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)不使用時它可以使自供電電路關(guān)斷。Boost變換器包含一個主要的能量存儲器件，自啟動自供電電路包含二級能量存儲器件，主要的能量存儲器件用來存儲由充電器傳遞的能量，二級能量存儲器存儲的能量用來驅(qū)動局部電子器件。Vo1Vin圖31 Boost變換器的仿真電路如圖31所示，圖31是用LTspice軟件仿真的Boost變換電路，在Boost變換器中它主要由比較器UMRR2等組成，C1是一個超級儲能電容器，它作為主要的儲能元件。比較器U1的輸出電壓是個方波，這個方波為M1提供柵極觸發(fā)信號。在每個充電過程的開始，超級電容器端的電壓Vo1在它允許的最大工作電壓以下，Vo1在每個充電過程結(jié)束時增加到最大穩(wěn)態(tài)電壓。在整個充電過程中穩(wěn)態(tài)電壓是施加到電容器上的最大可能電壓。在不連續(xù)模式下超級電容器端的輸出電壓Vo1可以表示如下： （）這里D=Ton/T，Ton為M1的導(dǎo)通時間，T為M1所產(chǎn)生的方波的周期。Vs 是V1所產(chǎn)生的鋸齒波的最大值，流過超級電容器C1的最大脈動電流為： （）因此最大的脈沖電流發(fā)生在D=，最大脈沖電流為： （）通過以上公式得，對于給定的R1和R2，最大的輸出電壓是在，同時最大的脈沖電流是在D=。Boost變換器充電器設(shè)計參數(shù)的合理選擇應(yīng)該是在輸入電壓Vin在時選取。由圖31Boost的仿真電路中仿真出來的波形如圖32所示，圖中紅色代表輸出的電壓，綠色為輸入的電壓，藍(lán)色為驅(qū)動M1的脈沖。由圖32可以知道Boost變換器實現(xiàn)了升壓的功能。在仿真結(jié)果中如果改變R1和R2的數(shù)值，M1的驅(qū)動脈沖的占空比會發(fā)生變化，而且輸出的電壓也會變化。經(jīng)過實驗的比較與仿真得出，在仿真時間為300ms過程中，在R1=，R2==；當(dāng)R1=，R2=20K時輸出電壓Vo1=；當(dāng)R1=，R2=22K時輸出電壓Vo1=；當(dāng)R1=，R2=30K時輸出的電壓Vo1=；當(dāng)R1=,R2=46K時輸出電壓Vo1=；圖33和圖34的波形是分別是在R1=，R2=20K和R2=46K的情況下得到的。T/ms U/V 圖32 Boost變換器的仿真波形T/ms U/V 圖33 R2=20K時Vo1的波形 U/V T/ms圖34 R2=46K時Vo1的波形由以上兩個圖可知在R2=20K時電壓的上升趨勢比R2=46K的上升趨勢緩慢，而且在300ms時間內(nèi)輸出電壓的終值R2=20K的大，在足夠的時間里，而且在R1固定的情況下，隨著仿真時間的延長，在一定范圍內(nèi)隨著R2電阻數(shù)值的增大最大輸出電壓而增大的。由實驗可以驗證輸出電壓的最大值，以下討論流過電容器C1的最大脈沖電流。在R1=，R2==；當(dāng)R1=，R2=20K時最大脈沖電流Ip=；當(dāng)R1=，R2=22K時最大脈沖電流Ip=；當(dāng)R1=，R2=30K時最大脈沖電流Ip=；R1=，R2=46K時Ip=,經(jīng)過多次實驗可以知道當(dāng)R1不變時，隨著R2的增大流過電容器C1的最大脈沖電流是增大的。圖35是R1=,R2=46K的脈沖電流。T/ms I/A 圖35 R2=46K時流過C1的脈沖電流Ip 鋸齒波的仿真電路因為本課題對所要設(shè)計的電路要求具有自供電的能力。所以應(yīng)該在對以上設(shè)計仿真的Boost變換電路的基礎(chǔ)上設(shè)計自供電電路。因為以上Boost變換電路的驅(qū)動是直接用仿真軟件中的電源提供的，所以要設(shè)計出為Boost變換器提供電能的電路，以實現(xiàn)自供電。經(jīng)過分析與研究用Multisim軟件對鋸齒波電路進(jìn)行了仿真，圖36就是鋸齒波的產(chǎn)生電路。由圖36可以看出此電路主要是由晶振片、放大器、電容、電感和電阻等構(gòu)成的。放大器輸出端的電壓是方波，而電容C2端的輸出電壓波形就是鋸齒波。此鋸齒波產(chǎn)生電路重點應(yīng)用到了晶振片，晶振是利用一種晶體，并且這種晶體可以使電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化，進(jìn)而在共振的情況下工作。一般晶振可以為電路提供所需的頻率。在下圖中并未給出所產(chǎn)生的鋸齒波波形，這里就不作說明了。圖36 鋸齒波產(chǎn)生電路的仿真 基于Boost變換器的儲能電路仿真　基于Boost變換器的自供電超級電容器儲能仿真電路本部分在基于前饋Boost變換電路的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，圖37是本課題所要設(shè)計的電路，此仿真電路也是采用了LTspice仿真軟件與圖1所不同的是圖37除了具有圖31Boost變換器的升壓功能外，圖37又具有自啟動的功能。Vo1VVzVoVin圖37 基于Boost變換器的自啟動超級電容器電路仿真圖37中的R3和C3構(gòu)成了自啟動電路，DDCCR4和D4構(gòu)成了自供電電路，同時C3既是自啟動電路的一部分又是二級儲能器件。在啟動時C3由R3和C3構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)充電到閾值電壓，這個閾值電壓是電子器件的最小工作電壓。局部的電子電路包括自啟動自供電電路、比較器U1和M1，當(dāng)達(dá)到電子電路的閾值電壓時，自供電電路開始工作同時向C3充電，電容C2由RC2和電荷泵組成的電路充電，電荷泵電路是由MCD2和D3組成。在M1導(dǎo)通的時間電流流過L1和C2，并向它們充電，在M1關(guān)斷的時間里向C1和C3充電。電壓Vo表示如下： （）V表示為： （）以上式子中Vo(0)是Vo在每個周期開始時的起始電壓，同理V(0)是V在每個周期開始時的起始電壓。時間常數(shù)，這里的R是二極管D3的內(nèi)阻。在每個開關(guān)周期流過二級儲能器件C3的電流可表示如下： （）在M1導(dǎo)通時間，電壓V達(dá)到輸入電壓Vin，在M1關(guān)斷時間開始時上升到Vo1+Vin?！Ψ抡骐娐凡ㄐ蔚姆治鲇蓤D37仿真出來的波形如圖38所示，在圖38中綠色代表電壓V的波形，藍(lán)色代表電壓Vo的波形，紅色代表Vo1的波形。 U/V T/ms圖38 基于Boost變換器的自啟動自供電超級電容器電路仿真波形由圖39我們可以進(jìn)一步理解此設(shè)計電路的工作過程，圖39以M1的驅(qū)動電壓為基準(zhǔn)，綠色代表驅(qū)動M1的電壓，藍(lán)色代表電壓V，紅色代表Vo，淺藍(lán)色代表電壓Vo1，如圖所示的波形可以看出在M1導(dǎo)通時，電容C2兩端電壓升高，當(dāng)M1關(guān)斷時電壓Vo1和Vo升高，正如圖39所示。 U/V T/ms圖39 電壓Vo、V和Vo1的波形在圖310中描述的是流過電感L1的電流變化的波形，從圖中可以看出流過電感L1的電流是脈動的，在充電過程開始時隨著時間的增長電流的變化很大，在充電過程結(jié)束時電流的變化幾乎不變，但是電流仍然有脈動。 I/A T/ms圖310 流過L1電流的波形　討論對電路中電壓和電流的影響因素在所設(shè)計的仿真電路中電壓和電流總會受到一些參數(shù)的影響，例如受到電阻、電感、溫度等的影響。經(jīng)過實驗的仿真，在其他器件參數(shù)不變的情況下，只改變電阻R1的參數(shù)，圖3122K和46K時電壓Vo1的變化，通過對三個圖比較可以知道，在仿真時間相等的條件下，在R1為46K時電壓Vo1最大，因此這說明在暫態(tài)過程電壓Vo1數(shù)值的大小受電阻R1的影響。T/s U/V 圖311 R1= U/V T/s圖312 R1=22K時的電壓Vo1波形 U/V T/s圖313 R1=46K時的電壓Vo1波形當(dāng)R1不變，R2變化時，即R1=46K，R2分別為5K、20K和50K時，由圖31315和316的Vo1波形在暫態(tài)情況下可以看出隨著電阻的增大，電壓Vo1反而減小，因此電壓Vo1的數(shù)值受電阻R2的影響。 U/V T/s圖314 R2=5K時的電壓Vo1波形 U/V T/s圖315 R2=20K時的電壓Vo1波形T/s U/V 圖316 R2=50K時的電壓Vo1波形由以上對電阻R1與R2的分析可以得知，兩個電阻數(shù)值的變化都會影響電壓Vo1的變化。接下來討論電阻R1與R2對電壓Vo的影響，圖317的(a)(b)(c)三個圖分別是R2=，R1分別為22K、15K和46K時電壓Vo的波形。 U/V T/ms(a) R1=22K U/V T/ms(b) R1=15K U/V