組合式開關(guān)電源的建模與仿真研究

趙軒超，榮 軍，賀升國(guó)，李 軍，邢坤博

（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006）

0 引言

電源是保障電器正常運(yùn)行的關(guān)鍵，它為設(shè)備運(yùn)行提供動(dòng)力。上世紀(jì)90年代以來，開關(guān)電源的應(yīng)用日益廣泛，尤其近幾年有了迅猛的發(fā)展。按照開關(guān)電源的定義，特指開關(guān)器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)下的直流電源[1]。目前，應(yīng)用最為廣泛的直流電源有三類:線性電源和開關(guān)電源。線性電源在上世紀(jì)五六十年代應(yīng)用非常廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是輸出直流電壓紋波小，能達(dá)到高精度的要求范圍，尤其在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量設(shè)備當(dāng)中應(yīng)用非常廣泛，缺點(diǎn)是其開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致其變壓器和濾波電感的體積和重量很大，其電源效率不高，一般為60%左右。后來隨著電力電子器件的發(fā)展，開關(guān)電源應(yīng)用越來越廣泛，開關(guān)電源主要通過提高開關(guān)器件的工作頻率，降低變壓器和濾波電感或者電容的體積，從而提高電源的效率，其最高效率可達(dá)90%以上。目前隨著電力電子器件以及磁性材料的的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，開關(guān)電源已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門的各個(gè)領(lǐng)域[2]。在開關(guān)電源的眾多類型中，AC/DC/AC/DC開關(guān)電源是比較特殊的一種，它為一種組合式變流電路，也是比較簡(jiǎn)單的一種開關(guān)電源電路，科研人員在從事開關(guān)電源設(shè)計(jì)之初，如果首先能夠理解好這種電路，對(duì)熟悉和掌握其他開關(guān)電源電路有非常大的好處。正是針對(duì)此原因，本文首先簡(jiǎn)要的介紹了AC/DC/AC/DC組合式開關(guān)電源電路的工作原理，然后在 MATLAB/Simulink中對(duì)其建模過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，為其在實(shí)際中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

1 組合式開關(guān)電源的工作原理簡(jiǎn)要介紹

AC/DC/AC/DC組合式開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由一個(gè)二極管不控整流橋?qū)蜗嘟涣麟娮儞Q為帶高次諧波直流電，然后在二極管整不控流橋后面濾波電容 C，濾除交流變直流后的高次諧波。濾波后的直流直接接入由四個(gè)開關(guān)管 Q1～Q4組成單相橋式逆變器。通過控制開關(guān)管 Q1～Q4的開關(guān)頻率可以將濾波后的直流電變換為幾千赫茲～幾十千赫茲的高頻交流電，然后經(jīng)高頻變壓器T的變壓和隔離，再由二極管VDr1、VDr2組成的單相全波整流電路將高頻交流整流為直流，最后通過由電感 Lr和電容 Cr濾波后得到穩(wěn)定的直流輸出[3]。Q1～Q4開關(guān)管組成的逆變器采取脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)控制，通過改變脈沖寬度可以調(diào)節(jié)整流輸出的電壓的大小，AC/DC/AC/DC開關(guān)電路由于采用了高頻調(diào)制，提高了能量傳輸密度，中間變壓器的體積和重量可以大大減少，使電源的整體設(shè)計(jì)小型化，因此可方便在各種便攜式設(shè)備中的應(yīng)用，這也是開關(guān)電源區(qū)別于線性電源最重要的一個(gè)方面。

圖1 AC/DC/AC/DC 開關(guān)電源電路圖

2 組合式開關(guān)電源在 MATLAB/Simulink中的建模與仿真

圖2 AC/DC/AC/DC 開關(guān)電源電路仿真模型

圖3 脈沖發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)脈沖的仿真波形

2.1 組合式開關(guān)電源的仿真模型

AC/DC/AC/DC開關(guān)電源電路在MATLAB/Simulink中的仿真模型如圖2所示[4,6]，它由220 V交流電源、四個(gè)整流二極管、四個(gè)功率開關(guān)管 IGBT、帶中心抽頭的高頻變壓器、濾波電容C1和濾波電感L以及負(fù)載R等構(gòu)成。圖2所示的仿真模型中的元器件參數(shù)設(shè)置如下：電壓源設(shè)置為交流電壓220 V，變壓器一次電壓和二次電壓分別取220 V和75 V，IGBT（Q1～Q4）組成的逆變器使用了Universal Bridge模塊，濾波電感L取0.1 mh，不控整流橋輸出端的電容C取為0.2 mF，高頻變壓器次級(jí)邊濾波電容C1取為1mF,負(fù)載電阻R取為2Ω。由于MATLAB/Simulink模型庫(kù)中沒有該開關(guān)電源對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊，因此在模型中使用了兩個(gè) PWM Generater模塊來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，并通過常數(shù)模塊U*的設(shè)定值來調(diào)節(jié)脈沖寬度，設(shè)定值在 0～1之間調(diào)節(jié)。在第二個(gè)PWM Generater模塊前加放大器 gain。并取放大倍數(shù)為-1，目的是起信號(hào)放大的作用。

2.2 仿真結(jié)果及分析

AC/DC/AC/DC開關(guān)電源電路的仿真波形如圖3～圖7所示，其中圖3為PWM Generater模塊的產(chǎn)生的4路驅(qū)動(dòng)脈沖仿真波形，圖3波形中從上向下依次為Q1～Q4的驅(qū)動(dòng)脈沖，從圖3很容易看出Q1和Q3互補(bǔ)導(dǎo)通，Q2和Q4互補(bǔ)導(dǎo)通，每個(gè)周期各導(dǎo)通180度。圖4和圖5所示的波形分別為高頻變壓器一次電壓仿真波形和二次電壓仿真波形，輸入220V交流電壓經(jīng)不控整流橋變成整流，然后經(jīng)過逆變器后，直流電轉(zhuǎn)換為8 kHZ的高頻矩形交流電，從圖4可以看出變壓器一次電壓仿真波形的幅值為220 V，從圖5可以看出變壓器二次電壓仿真波形的幅值為75 V，與理論設(shè)定值完全相同。圖6所示的仿真波形為濾波電感L兩端的電壓仿真波形。如果為了得到比較平滑的直流電壓，可以考慮在圖2所示的仿真模型中串入感抗值較小的電感，其目的是為了抑制電流的沖擊，使輸出電壓更變的更加平滑。圖7所示的仿真波形為負(fù)載電阻R上的電壓仿真波形，從圖7很容易看出負(fù)載R上的輸出電壓為38 V，它也是開關(guān)電源的最終輸出電壓，其輸出電壓波形在開始的時(shí)候有點(diǎn)波動(dòng)，在0.02 s以后就迅速達(dá)到穩(wěn)定的電壓，為一條非常平滑的直流。

圖4 變壓器一次電壓的仿真波形

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先根據(jù)AC/DC/AC/DC開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)要的介紹了其工作原理，然后在MATLAB/Simulink仿真軟件中對(duì)其進(jìn)行了建模與仿真，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了AC/DC/AC/DC組合式開關(guān)電源電路在進(jìn)行高頻調(diào)制后，能夠得到穩(wěn)定的而且沒有紋波直流電壓，能夠滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要。

圖5 變壓器二次電壓的仿真波形

圖6 濾波電感 L的電壓仿真波形

圖7 負(fù)載電阻 R的電壓仿真波形

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