基于PWM控制的開關(guān)電源系統(tǒng)仿真研究

摘 要：把開關(guān)電源系統(tǒng)表示成數(shù)學模型或非線性控制模型，得用Matlab建立一個離散的、非線性的仿真模型。并利用該模型對220V高頻開關(guān)電源進行仿真。仿真試驗分析逆變電源工作過程和動態(tài)特性，逆變電源輸出電壓及其頻譜分析、總諧波畸變率。對輸出電壓波形進行分析，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

0 引言

通過數(shù)學的方法，把小功率開關(guān)電源系統(tǒng)表示成數(shù)學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是一個高級的數(shù)學分析軟件，Simulink是運行在Matlab環(huán)境下，用于建模、仿真和分析動態(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，能夠更方便地對電力電子系統(tǒng)進行仿真。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，機車電源等。這里以220V高頻開關(guān)電源為研究對象，建立模型。該電源采用脈寬調(diào)制控制方式，實現(xiàn)了減輕重量、縮小體積、提高精度等多項指標要求，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建立一個離散的、非線性的模型。分別對系統(tǒng)進行開環(huán)和閉環(huán)仿真，并對仿真結(jié)果進行比較與分析。

1 電路原理圖

電路原理如圖1所示。

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：工作頻率為f=20 kHz；變壓器變比k=13；輸出濾波L=8μH，C=300μF。全橋逆變電路仿真參數(shù)設(shè)置：工作頻率f=25kHz，輸出濾波L=80mH,C=100μF。這里設(shè)置相應(yīng)仿真參數(shù)進行仿真調(diào)試。

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，限制了瞬態(tài)諧振峰值，具有無功耗，衰減，高可控諧振峰值等優(yōu)點。

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反向電流，這也是一個非線性環(huán)節(jié)，建立非線性的數(shù)學模型。

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：

式中：U_i為不控整流的輸出電壓；U_F為負載電壓；U_L為電感電壓；負載電壓為：

式中：U_C電容電壓；I_L為電感電流；I_C為電容電流；I_F為負載電流。

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。

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（PII）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。

2.4 輸出回路的建模

輸出及顯示模塊仿真模型（ourput）如圖13所示。

3 仿真結(jié)果

建立Simulink系統(tǒng)仿真模型，仿真模型設(shè)置仿真時間0.3s,并選擇變步長的odel5算法，在輸入電壓為48V,負載為額定負載情況下，啟動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。

從頻譜分析上可以看出，開環(huán)時，總諧波系數(shù)（THD）為3.O2％，且三次諧波含量比較大。閉環(huán)時，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)時電壓輸出波形在第3個周期才達到穩(wěn)定，而閉環(huán)時在第2個周期就達到了穩(wěn)定，所以閉環(huán)時電壓達到穩(wěn)定值的速度比開環(huán)時要快。
4結(jié)語

該模型不僅可用于來考查系統(tǒng)內(nèi)部主要狀態(tài)的瞬態(tài)變化過程，還可用于來對控制回路進行分析和設(shè)計。這對于提高控制系統(tǒng)的性能具有現(xiàn)實意義和研究價值。用數(shù)學方法實現(xiàn)開關(guān)電源系統(tǒng)的建模，選擇仿真時間為0.3s,完成仿真只要40s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、實現(xiàn)系統(tǒng)控制容易、構(gòu)造模型簡單的強大的動態(tài)仿真工具。

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