基于ＰＷＭ控制的開關電源系統仿真研究

王　冰　張潤和　孫燕霞

摘 要：把開關電源系統表示成數學模型或非線性控制模型，利用Matlab建立一個離散的、非線性的仿真模型。并利用該模型對220 V高頻開關電源進行仿真。仿真試驗分析逆變電源工作過程和動態特性，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，結果表明：系統輸出諧波含量比較少且具有良好的穩態性能。

關鍵詞：開關電源；Matlab；正弦波逆變器；脈寬調制

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：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

通過數學的方法，把小功率開關電源系統表示成數學模型和非線性控制模型，建立一種開關電源全系統的仿真模型，提高了仿真速度。Matlab是一個高級的數學分析軟件，Simulink是運行在Matlab環境下，用于建模、仿真和分析動態系統的軟件包，它支持連續、離散及兩者混合的線性及非線性系統。

在Matlab 5.2中推出了電力系統工具箱，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進行仿真。隨著電源技術的發展，PWM控制的開關電源得到了廣泛的研究和應用，如通信電源，機車電源等。這里以220 V高頻開關電源為研究對象，建立模型。該電源采用脈寬調制控制方式，實現了減輕重量、縮小體積、提高精度等多項指標要求，在開關電源的系統模型研究中極具代表性。主回路采用DC-HFAC-DC-LFAC結構^［1］，并利用Matlab建立一個離散的、非線性的模型。分別對系統進行開環和閉環仿真，并對仿真結果進行比較與分析。

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。該系統的仿真參數為：直流升壓電路仿真參數設置：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設置：工作頻率f=25 kHz，輸出濾波L=80 mH,C=100 μF。這里設置相應仿真參數進行仿真調試。

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^［2］，在保證穩態濾波效果的同時，限制了瞬態諧振峰值，具有無功耗，高衰減，可控諧振峰值等優點。

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反向電流，這也是一個非線性環節，建立非線性的數學模型。

2.2.1 DC-DC主電路的建模

根據圖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為負載電壓；UL為電感電壓；負載電壓為：

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為負載電流。

圖4 DC-DC升壓電路仿真模型

2.2.2 PI調節器的建模

比例積分調節器仿真模型（PI）如圖5所示。

PI調節器的輸出波形如圖6所示。

2.2.3 PWM控制器的建模

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

圖5 比例積分調節器仿真模型（PI）

圖6 PI調節器的輸出波形

圖7 脈沖寬度調制模型仿真模塊（PWM）

圖8 三角波與脈沖波的仿真結果

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調節器的建模

比例積分調節器仿真模型（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 比例積分調節器仿真模型（PI1）

圖11 PI1調節器的輸出波形

圖12 正弦寬度調制模型仿真模塊（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 仿真結果

建立Simulink系統仿真模型，仿真模型設置仿真時間0.3 s，并選擇變步長的ode15算法，在輸入電壓為48 V，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 開環仿真

開環仿真如圖14所示。

3.2 閉環仿真

閉環仿真如圖15所示。

圖14 開環仿真圖

圖15 閉環仿真圖

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

從電壓波形上可以看出，開環時電壓輸出波形在第3個周期才達到穩定，而閉環時在第2個周期就達到了穩定，所以閉環時電壓達到穩定值的速度比開環時要快。

4 結 語

該模型不僅可用于來考查系統內部主要狀態的瞬態變化過程，還可用于來對控制回路進行分析和設計。這對于提高控制系統的性能具有現實意義和研究價值。用數學方法實現開關電源系統的建模，選擇仿真時間為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是控制系統仿真的一種功能完善、實現系統控制容易、構造模型簡單的強大的動態仿真工具。

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作者簡介 王 冰 男，1983年出生，山東菏澤人，碩士研究生。研究方向為電力電子與電力傳動。

張潤和 男，1960年出生，內蒙古人，副教授。主要研究方向為電力電子與電力傳動。

孫燕霞 女，1983年出生，內蒙古集寧人，碩士研究生。研究方向為電力電子與電力傳動。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。