開關電源的小信號建模及優化

胡德洪

摘要：隨著電子技術的發展，電網中接入大量的電力電子設備，而電力電子設備的核心部件開關電源，其自身具有非常顯著的非線性與低功率因數，這會給電網帶來較大的諧波電流，進而對電網造成嚴重污染。本文基于MATLAB仿真軟件建立補償網絡下的電壓、電流環模型，在對模型進行優化時充分利用非線性優化法，模型優化后的結果表明系統性能得到了提高。

關鍵詞：開關電源;雙環控制;MATLAB;優化

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0174-03

0 引言

由于開關電源自身具有較強的非線性與低功率因數的特點，制約了其廣泛的使用。近年來，隨著“綠色電源”的提出，開關電源的治理諧波、提高功率因數的方法越來越受到重視，成為國內外發展的朝陽產業。

本文采用有源功率因數校正技術的結構圖，采用非線性優化方法對電壓環和電流環補償網絡優化，由整流電路、DC/DC變換電路、輸出濾波電路和控制電路組成。

傳統的開關電源的電流含有大量諧波成分，將給電網性能帶來各種影響。為了消除上述諧波對電網的影響，另外添加諧波補償裝置，整流部分與濾波部分之間加入一級直流/直流變換，通過精細化的反饋控制，不僅可以有效抑制諧波，還可以提高功率因數和電能的綜合利用率。附合“綠色電源”的發展思想。采用MATLAB建立小信號模型仿真，減小了傳統電路中電壓環和電流環的設計和調試工作，利用MATLAB軟件中的優化工具箱配置合適的零極點。本文將從模型仿真和實驗兩個方面對模型進行優化分析。

1 建立小信號模型

開關電源本身是一個復雜的時變系統，建立準確地數學模型是很困難的。因此模型的建立將引入以下假設：（1）開關頻率要遠遠大于擾動信號頻率的設置;（2）擾動信號的大小要盡可能的小。

小信號模型的建立將通過電流注入的方法實現：電路中的線性和非線性部分分開考慮，隨著開關狀態的切換，電路結構也隨之發生著變化，用一個電感L與三端器件表示。

電流控制環的由電流誤差放大器、PWM比較器、功率級組成，如圖1所示。

3 模型的仿真分析

基于MATLAB/Simulink搭建出500W 升壓型開關電源電路的仿真模型。分析仿真結果，圖3加入APFC前，電流波形與正弦電壓的變化沒有步調一致，諧波成分含量較多，一系列的脈沖波出現在電壓峰值附近，較低的功率因數也出現此刻。電路的功率因數接近1。并且在輸出端得到低紋波得直流輸出。

4 實驗

在仿真基礎上繪制了實驗電路圖。測得輸入端電壓和電流波形，如圖4所示。

從實驗得到的波形分析，加入APFC電路后，電流波形能跟蹤輸入電壓的變化，優化后電路有效地提高了功率因數、減小了諧波含量，功率因數達到0.996。

5 結語

采用非線性優化方法對電壓環和電流環補償網絡的參數進行優化，很好的減小了諧波電流，提高了功率因數，系統性能得到了提高。

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