组合式开关电源的建模与仿真研究

2015-01-04赵轩超贺升国邢坤博

船电技术 2015年7期

赵轩超，荣军，贺升国，李军，邢坤博

（湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳414006）

0 引言

电源是保障电器正常运行的关键，它为设备运行提供动力。上世纪90年代以来，开关电源的应用日益广泛，尤其近几年有了迅猛的发展。按照开关电源的定义，特指开关器件工作在高频开关状态下的直流电源[1]。目前，应用最为广泛的直流电源有三类:线性电源和开关电源。线性电源在上世纪五六十年代应用非常广泛，其优点是输出直流电压纹波小，能达到高精度的要求范围，尤其在实验室的测量设备当中应用非常广泛，缺点是其开关器件工作在开关状态，导致其变压器和滤波电感的体积和重量很大，其电源效率不高，一般为60%左右。后来随着电力电子器件的发展，开关电源应用越来越广泛，开关电源主要通过提高开关器件的工作频率，降低变压器和滤波电感或者电容的体积，从而提高电源的效率，其最高效率可达90%以上。目前随着电力电子器件以及磁性材料的的生产技术不断提高，开关电源已广泛应用于工农业生产部门的各个领域[2]。在开关电源的众多类型中，AC/DC/AC/DC开关电源是比较特殊的一种，它为一种组合式变流电路，也是比较简单的一种开关电源电路，科研人员在从事开关电源设计之初，如果首先能够理解好这种电路，对熟悉和掌握其他开关电源电路有非常大的好处。正是针对此原因，本文首先简要的介绍了AC/DC/AC/DC组合式开关电源电路的工作原理，然后在 MATLAB/Simulink中对其建模过程进行了详细介绍，最后对仿真结果进行了分析，为其在实际中的应用打下了基础。

1 组合式开关电源的工作原理简要介绍

AC/DC/AC/DC组合式开关电源的结构框图如图1所示，它由一个二极管不控整流桥将单相交流电变换为带高次谐波直流电，然后在二极管整不控流桥后面滤波电容 C，滤除交流变直流后的高次谐波。滤波后的直流直接接入由四个开关管 Q1～Q4组成单相桥式逆变器。通过控制开关管 Q1～Q4的开关频率可以将滤波后的直流电变换为几千赫兹～几十千赫兹的高频交流电，然后经高频变压器T的变压和隔离，再由二极管VDr1、VDr2组成的单相全波整流电路将高频交流整流为直流，最后通过由电感 Lr和电容 Cr滤波后得到稳定的直流输出[3]。Q1～Q4开关管组成的逆变器采取脉冲宽度调制技术(PWM)控制，通过改变脉冲宽度可以调节整流输出的电压的大小，AC/DC/AC/DC开关电路由于采用了高频调制，提高了能量传输密度，中间变压器的体积和重量可以大大减少，使电源的整体设计小型化，因此可方便在各种便携式设备中的应用，这也是开关电源区别于线性电源最重要的一个方面。

图1 AC/DC/AC/DC 开关电源电路图

2 组合式开关电源在 MATLAB/Simulink中的建模与仿真

图2 AC/DC/AC/DC 开关电源电路仿真模型

图3 脉冲发生器的驱动脉冲的仿真波形

2.1 组合式开关电源的仿真模型

AC/DC/AC/DC开关电源电路在MATLAB/Simulink中的仿真模型如图2所示[4,6]，它由220 V交流电源、四个整流二极管、四个功率开关管 IGBT、带中心抽头的高频变压器、滤波电容C1和滤波电感L以及负载R等构成。图2所示的仿真模型中的元器件参数设置如下：电压源设置为交流电压220 V，变压器一次电压和二次电压分别取220 V和75 V，IGBT（Q1～Q4）组成的逆变器使用了Universal Bridge模块，滤波电感L取0.1 mh，不控整流桥输出端的电容C取为0.2 mF，高频变压器次级边滤波电容C1取为1mF,负载电阻R取为2Ω。由于MATLAB/Simulink模型库中没有该开关电源对应的驱动模块，因此在模型中使用了两个 PWM Generater模块来产生驱动脉冲，并通过常数模块U*的设定值来调节脉冲宽度，设定值在 0～1之间调节。在第二个PWM Generater模块前加放大器 gain。并取放大倍数为-1，目的是起信号放大的作用。

2.2 仿真结果及分析

AC/DC/AC/DC开关电源电路的仿真波形如图3～图7所示，其中图3为PWM Generater模块的产生的4路驱动脉冲仿真波形，图3波形中从上向下依次为Q1～Q4的驱动脉冲，从图3很容易看出Q1和Q3互补导通，Q2和Q4互补导通，每个周期各导通180度。图4和图5所示的波形分别为高频变压器一次电压仿真波形和二次电压仿真波形，输入220V交流电压经不控整流桥变成整流，然后经过逆变器后，直流电转换为8 kHZ的高频矩形交流电，从图4可以看出变压器一次电压仿真波形的幅值为220 V，从图5可以看出变压器二次电压仿真波形的幅值为75 V，与理论设定值完全相同。图6所示的仿真波形为滤波电感L两端的电压仿真波形。如果为了得到比较平滑的直流电压，可以考虑在图2所示的仿真模型中串入感抗值较小的电感，其目的是为了抑制电流的冲击，使输出电压更变的更加平滑。图7所示的仿真波形为负载电阻R上的电压仿真波形，从图7很容易看出负载R上的输出电压为38 V，它也是开关电源的最终输出电压，其输出电压波形在开始的时候有点波动，在0.02 s以后就迅速达到稳定的电压，为一条非常平滑的直流。

图4 变压器一次电压的仿真波形

3 结束语

本文首先根据AC/DC/AC/DC开关电源电路的结构图简要的介绍了其工作原理，然后在MATLAB/Simulink仿真软件中对其进行了建模与仿真，最后对仿真结果进行了详细分析，通过仿真实验验证了AC/DC/AC/DC组合式开关电源电路在进行高频调制后，能够得到稳定的而且没有纹波直流电压，能够满足生产的实际需要。