組合式開關電源的建模與仿真研究

趙軒超，榮 軍，賀升國，李 軍，邢坤博

（湖南理工學院信息與通信工程學院，湖南岳陽414006）

0 引言

電源是保障電器正常運行的關鍵，它為設備運行提供動力。上世紀90年代以來，開關電源的應用日益廣泛，尤其近幾年有了迅猛的發展。按照開關電源的定義，特指開關器件工作在高頻開關狀態下的直流電源[1]。目前，應用最為廣泛的直流電源有三類:線性電源和開關電源。線性電源在上世紀五六十年代應用非常廣泛，其優點是輸出直流電壓紋波小，能達到高精度的要求范圍，尤其在實驗室的測量設備當中應用非常廣泛，缺點是其開關器件工作在開關狀態，導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展，開關電源應用越來越廣泛，開關電源主要通過提高開關器件的工作頻率，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90%以上。目前隨著電力電子器件以及磁性材料的的生產技術不斷提高，開關電源已廣泛應用于工農業生產部門的各個領域[2]。在開關電源的眾多類型中，AC/DC/AC/DC開關電源是比較特殊的一種，它為一種組合式變流電路，也是比較簡單的一種開關電源電路，科研人員在從事開關電源設計之初，如果首先能夠理解好這種電路，對熟悉和掌握其他開關電源電路有非常大的好處。正是針對此原因，本文首先簡要的介紹了AC/DC/AC/DC組合式開關電源電路的工作原理，然后在 MATLAB/Simulink中對其建模過程進行了詳細介紹，最后對仿真結果進行了分析，為其在實際中的應用打下了基礎。

1 組合式開關電源的工作原理簡要介紹

AC/DC/AC/DC組合式開關電源的結構框圖如圖1所示，它由一個二極管不控整流橋將單相交流電變換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開關管 Q1～Q4組成單相橋式逆變器。通過控制開關管 Q1～Q4的開關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濾波后得到穩定的直流輸出[3]。Q1～Q4開關管組成的逆變器采取脈沖寬度調制技術(PWM)控制，通過改變脈沖寬度可以調節整流輸出的電壓的大小，AC/DC/AC/DC開關電路由于采用了高頻調制，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，使電源的整體設計小型化，因此可方便在各種便攜式設備中的應用，這也是開關電源區別于線性電源最重要的一個方面。

圖1 AC/DC/AC/DC 開關電源電路圖

2 組合式開關電源在 MATLAB/Simulink中的建模與仿真

圖2 AC/DC/AC/DC 開關電源電路仿真模型

圖3 脈沖發生器的驅動脈沖的仿真波形

2.1 組合式開關電源的仿真模型

AC/DC/AC/DC開關電源電路在MATLAB/Simulink中的仿真模型如圖2所示[4,6]，它由220 V交流電源、四個整流二極管、四個功率開關管 IGBT、帶中心抽頭的高頻變壓器、濾波電容C1和濾波電感L以及負載R等構成。圖2所示的仿真模型中的元器件參數設置如下：電壓源設置為交流電壓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，高頻變壓器次級邊濾波電容C1取為1mF,負載電阻R取為2Ω。由于MATLAB/Simulink模型庫中沒有該開關電源對應的驅動模塊，因此在模型中使用了兩個 PWM Generater模塊來產生驅動脈沖，并通過常數模塊U*的設定值來調節脈沖寬度，設定值在 0～1之間調節。在第二個PWM Generater模塊前加放大器 gain。并取放大倍數為-1，目的是起信號放大的作用。

2.2 仿真結果及分析

AC/DC/AC/DC開關電源電路的仿真波形如圖3～圖7所示，其中圖3為PWM Generater模塊的產生的4路驅動脈沖仿真波形，圖3波形中從上向下依次為Q1～Q4的驅動脈沖，從圖3很容易看出Q1和Q3互補導通，Q2和Q4互補導通，每個周期各導通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交流電壓經不控整流橋變成整流，然后經過逆變器后，直流電轉換為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載電阻R上的電壓仿真波形，從圖7很容易看出負載R上的輸出電壓為38 V，它也是開關電源的最終輸出電壓，其輸出電壓波形在開始的時候有點波動，在0.02 s以后就迅速達到穩定的電壓，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 結束語

本文首先根據AC/DC/AC/DC開關電源電路的結構圖簡要的介紹了其工作原理，然后在MATLAB/Simulink仿真軟件中對其進行了建模與仿真，最后對仿真結果進行了詳細分析，通過仿真實驗驗證了AC/DC/AC/DC組合式開關電源電路在進行高頻調制后，能夠得到穩定的而且沒有紋波直流電壓，能夠滿足生產的實際需要。

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 負載電阻 R的電壓仿真波形

[1]張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].電子工業出版,2004.

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[6]何勇志,孟志強,彭永進.晶閘管中頻電源啟動方法的 M AT LAB仿真研究[J].計算技術與自動化,2002,21(4):79-83.