王　冰　張潤(rùn)和　孫燕霞

摘 要：把開關(guān)電源系統(tǒng)表示成數(shù)學(xué)模型或非線性控制模型，利用Matlab建立一個(gè)離散的、非線性的仿真模型。并利用該模型對(duì)220 V高頻開關(guān)電源進(jìn)行仿真。仿真試驗(yàn)分析逆變電源工作過(guò)程和動(dòng)態(tài)特性，逆變電源輸出電壓及其頻譜分析、總諧波畸變率。對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行分析，結(jié)果表明：系統(tǒng)輸出諧波含量比較少且具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；Matlab；正弦波逆變器；脈寬調(diào)制

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-373X(2009)04-001-03

Simulation Research of Switching Power Supply Based on PWM

WANG Bing,ZHANG Runhe,SUN Yanxia

(Information Engineering College,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot,010051,China)

Abstract：The switching power-supply system can be symbolized by mathematical model or nonlinear control model.A discrete and nonlinear simulation model of switching power supply is established by Matlab,it is used in the simulation of the 220V high frequency switching power supply.The simulation analyzes the working process and dynamic characteristics of inverter,as well as the input voltage,spectrum and THD (Total Harmonic Distortion) of inverter.The waveform of output voltage is analyzed and conclusion is drawn.The results indicate that:its harmonic content is quite few and the stable state performance is good.

Keywords：switching power supply;Matlab;sine wave inverter;pulse width modulation

0 引 言

通過(guò)數(shù)學(xué)的方法，把小功率開關(guān)電源系統(tǒng)表示成數(shù)學(xué)模型和非線性控制模型，建立一種開關(guān)電源全系統(tǒng)的仿真模型，提高了仿真速度。Matlab是一個(gè)高級(jí)的數(shù)學(xué)分析軟件，Simulink是運(yùn)行在Matlab環(huán)境下，用于建模、仿真和分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性及非線性系統(tǒng)。

在Matlab 5.2中推出了電力系統(tǒng)工具箱，該工具箱可以與Simulink配合使用，能夠更方便地對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，PWM控制的開關(guān)電源得到了廣泛的研究和應(yīng)用，如通信電源，機(jī)車電源等。這里以220 V高頻開關(guān)電源為研究對(duì)象，建立模型。該電源采用脈寬調(diào)制控制方式，實(shí)現(xiàn)了減輕重量、縮小體積、提高精度等多項(xiàng)指標(biāo)要求，在開關(guān)電源的系統(tǒng)模型研究中極具代表性。主回路采用DC-HFAC-DC-LFAC結(jié)構(gòu)^［1］，并利用Matlab建立一個(gè)離散的、非線性的模型。分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較與分析。

1 電路原理圖

電路原理如圖1所示。

圖1 逆變電源原理圖

2 仿真電路

圖2中各子模塊的仿真模型如圖3～圖10所示。該系統(tǒng)的仿真參數(shù)為：直流升壓電路仿真參數(shù)設(shè)置：工作頻率f=20 kHz；變壓器變比k=13；輸出濾波L=8 μH,狢=300 μF。全橋逆變電路仿真參數(shù)設(shè)置：工作頻率f=25 kHz，輸出濾波L=80 mH,C=100 μF。這里設(shè)置相應(yīng)仿真參數(shù)進(jìn)行仿真調(diào)試。

圖2 逆變電源Simulink仿真模型

2.1 輸入回路的建模

使用電力系統(tǒng)工具箱的電源模塊以及電阻電容模塊可以很便捷地建立輸入回路的仿真模型。輸入采用兩級(jí)LC直流輸入濾波技術(shù)^［2］，在保證穩(wěn)態(tài)濾波效果的同時(shí)，限制了瞬態(tài)諧振峰值，具有無(wú)功耗，高衰減，可控諧振峰值等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 輸入模塊仿真模型

2.2 DC-DC回路的建模

由圖1可知，輸出回路中的整流二極管不能流過(guò)反向電流，這也是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，建立非線性的數(shù)學(xué)模型。

2.2.1 DC-DC主電路的建模

根據(jù)圖1可知，濾波電感中電流為：

IL=1L∫ULdt=1L∫(Ui－UF)dt（1）

式中：Ui為不控整流的輸出電壓；UF為負(fù)載電壓；UL為電感電壓；負(fù)載電壓為：

UF=UC=1C∫ICdt=1C∫(IL－IF)dt（2）

式中：UC電容電壓；IL為電感電流；IC為電容電流；IF為負(fù)載電流。

圖4 DC-DC升壓電路仿真模型

2.2.2 PI調(diào)節(jié)器的建模

比例積分調(diào)節(jié)器仿真模型（PI）如圖5所示。

PI調(diào)節(jié)器的輸出波形如圖6所示。

2.2.3 PWM控制器的建模

仿真利用積分關(guān)系來(lái)產(chǎn)生三角波，Simulink中Sources有脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)，使其產(chǎn)生頻率為20 kHz，幅值為4×104，占空比為50%的信號(hào)。

圖5 比例積分調(diào)節(jié)器仿真模型（PI）

圖6 PI調(diào)節(jié)器的輸出波形

圖7 脈沖寬度調(diào)制模型仿真模塊（PWM）

圖8 三角波與脈沖波的仿真結(jié)果

2.3 逆變電路的建模

逆變電路仿真模型（Inverter）如圖9所示。

2.3.1 PI調(diào)節(jié)器的建模

比例積分調(diào)節(jié)器仿真模型（PI1）如圖10所示,其輸出波形如圖11所示。

2.3.2 SPWM的建模

正弦寬度調(diào)制模型仿真模塊（SPWM）如圖12所示。

圖9 逆變電路仿真模型

圖10 比例積分調(diào)節(jié)器仿真模型（PI1）

圖11 PI1調(diào)節(jié)器的輸出波形

圖12 正弦寬度調(diào)制模型仿真模塊（SPWM）

2.4 輸出回路的建模

輸出及顯示模塊仿真模型（output）如圖13所示。

圖13 輸出及顯示模塊仿真模型（output）

3 仿真結(jié)果

建立Simulink系統(tǒng)仿真模型，仿真模型設(shè)置仿真時(shí)間0.3 s，并選擇變步長(zhǎng)的ode15算法，在輸入電壓為48 V，負(fù)載為額定負(fù)載情況下，啟動(dòng)仿真可得其輸出波形，輸出電壓波形圖和THD頻譜圖如圖14和圖15所示。

3.1 開環(huán)仿真

開環(huán)仿真如圖14所示。

3.2 閉環(huán)仿真

閉環(huán)仿真如圖15所示。

圖14 開環(huán)仿真圖

圖15 閉環(huán)仿真圖

從頻譜分析上可以看出，開環(huán)時(shí)，總諧波系數(shù)（THD）為3.02％，且三次諧波含量比較大。閉環(huán)時(shí)，總諧波系數(shù)（THD）為0.07％，諧波含量非常少。

從電壓波形上可以看出，開環(huán)時(shí)電壓輸出波形在第3個(gè)周期才達(dá)到穩(wěn)定，而閉環(huán)時(shí)在第2個(gè)周期就達(dá)到了穩(wěn)定，所以閉環(huán)時(shí)電壓達(dá)到穩(wěn)定值的速度比開環(huán)時(shí)要快。

4 結(jié) 語(yǔ)

該模型不僅可用于來(lái)考查系統(tǒng)內(nèi)部主要狀態(tài)的瞬態(tài)變化過(guò)程，還可用于來(lái)對(duì)控制回路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。這對(duì)于提高控制系統(tǒng)的性能具有現(xiàn)實(shí)意義和研究?jī)r(jià)值。用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源系統(tǒng)的建模，選擇仿真時(shí)間為0.3 s，完成仿真只要40 s左右，不僅避免了其他工具的極慢仿真速度，還提高了仿真的可靠性。Simulink是控制系統(tǒng)仿真的一種功能完善、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制容易、構(gòu)造模型簡(jiǎn)單的強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)仿真工具。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社,2002.

［2］陳道煉.DC-AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

［3］謝少軍，韓軍，張勇，等.低輸入電壓大功率逆變器技術(shù)研究［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（4）：231-234.

［4］李強(qiáng),周希德.車載單相正弦脈寬調(diào)制IGBT逆變器的研制［J］.電力電子技術(shù),1997(1):23-26.

［5］陸治國(guó).電源的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社,2001.

［6］Abraham I Pressman.開關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.王志強(qiáng),譯.北ぞ:電子工業(yè)出版社,2005.

［7］Gent K Andersen.A New Green Power Inverter for Fuel Cell.IEEE Trans. on Power Electronics,2002.

［8］Chen Guochen,Qu Keqing,Xu Chunyu,et al.Selection of Carrier Waveforms for PWM Inverter［J］.Journal of Shanghai University(English Edition),2003,7(4):389-394.

［9］劉鳳君.正弦波逆變器［M］.北京:科學(xué)出版社,2002.

［10］蓋志武，李東升，宋蟄存.脈沖調(diào)寬式逆變電源的建模及仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真,2003,20(3):97-99.

［11］Xie Shaojun,Fang Ying,Zhou Dake.Research on a Novel Inverter Based on DC/ DC Converter Topology［J］.Journal of Southeast University,2002(12):341-345.

［12］Duan Shanxu,Liu Bangyin,Kang Yong,et al.Repetitive PD Control Strategy with Inverse Transfer Function Compensation for CVCF Inverter［J］.Journal of Control Theory and Application,2004:121-125.

［13］郭龍鋼,劉兆魁.基于Matlab/Simulink的電力電子電路仿真［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,26(5):42-46.

作者簡(jiǎn)介 王 冰 男，1983年出生，山東菏澤人，碩士研究生。研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

張潤(rùn)和 男，1960年出生，內(nèi)蒙古人，副教授。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

孫燕霞 女，1983年出生，內(nèi)蒙古集寧人，碩士研究生。研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。