一種超寬范圍開(kāi)關(guān)電源的MATLAB仿真

鄭娥湄+高昕

摘 要：本文針對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓調(diào)節(jié)范圍窄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)從零開(kāi)始調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于電壓反饋調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)電源來(lái)調(diào)節(jié)電源的輸出電壓。該開(kāi)關(guān)電源采用高頻逆變技術(shù)LC諧振整流電路，可以有效減小了系統(tǒng)損耗和系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)效率。最后用Matlab/Simulink建立了仿真模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真測(cè)試。仿真結(jié)果證明了這種控制策略的正確性，電壓可以實(shí)現(xiàn)從零開(kāi)始調(diào)節(jié)并有非常高的轉(zhuǎn)化效率。這是一種高效可靠的電源設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：電壓反饋；高頻逆變；LC諧振

1 引言

直流穩(wěn)壓電源是對(duì)某種電能進(jìn)行變換和控制，并把穩(wěn)定直流電能提供給各種負(fù)載的一種設(shè)備，主要分為線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源兩種。線(xiàn)性電源由于調(diào)整管的功耗大，轉(zhuǎn)換效率低，體積和重量大等缺點(diǎn)，因此使得其在使用中受到了限制。開(kāi)關(guān)電源由于其效率高，體積小和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在直流穩(wěn)壓電源中廣泛使用。由于一般的開(kāi)關(guān)電源普遍存在的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍窄，難以做到從零開(kāi)始調(diào)節(jié)的問(wèn)題，因此一些需要較寬電壓范圍的的設(shè)備就無(wú)法使用。針對(duì)目前開(kāi)關(guān)電源電壓調(diào)整范圍窄的不足，本文設(shè)計(jì)了一種從零起調(diào)，具有寬調(diào)整范圍的開(kāi)關(guān)電源。并用MATLAB對(duì)其進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)從零起調(diào)，且電壓穩(wěn)定。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 輸入整流電路的設(shè)計(jì)

輸入整流電路將市電變換為直流電，提供給全橋逆變電路。開(kāi)關(guān)電源的整流電路是由二極管組成的不可控的橋式電路，其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其輸入電流是位于輸入電壓峰值附近的脈沖波，而不是正弦波，造成了很?chē)?yán)重的畸變。使得輸入電流中含有很?chē)?yán)重的諧波成分，其污染了電網(wǎng)，降低了開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)。本文在橋式不可控整流電路中加入LC諧振電路，可以提高功率因數(shù)，降低諧波成分。采用LC 諧振電路的橋式不可控整流電路如圖1所示。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以提高不可控整流電路功率因數(shù)，使其到0.9左右。

2.2 全橋逆變電路設(shè)計(jì)

全橋逆變電路及整流濾波電路，是把檢測(cè)到的逆變輸出的有效值的信號(hào)送給PWM波調(diào)制，全橋逆變電路的開(kāi)關(guān)管由IR2110驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制。全橋逆變電路輸出的 PWM 信號(hào)通過(guò) LC諧振電路后，得到的正弦電壓與正弦載波信號(hào)同頻率，然后通過(guò)高頻變壓器隔離升壓后送給整流濾波電路。

通過(guò)輸出電壓的誤差信號(hào)來(lái)控制調(diào)整管，加以調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值，使得輸出電壓穩(wěn)定在我們需要的一個(gè)設(shè)定值，輸出電壓的紋波是通過(guò)調(diào)整管的信號(hào)來(lái)控制，使其減小。控制信號(hào)通過(guò)控制正弦載波信號(hào)的幅值來(lái)控制信號(hào)的占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓由于逆變電路采用雙極性信號(hào)控制，因此當(dāng)正弦載波信號(hào)的幅值為零時(shí)，逆變器的控制信號(hào)的占空比為50%，交流輸出為0，從而實(shí)現(xiàn)從零開(kāi)始調(diào)節(jié)。

2.3 變壓器的設(shè)計(jì)

變壓器的輸入電壓Ui= ×220≈311V。變

壓器的一次側(cè)繞組的匝數(shù)為

式中：f———輸入電壓頻率。

Np取整，可得一次側(cè)繞組的匝數(shù)為7匝由于超寬范圍開(kāi)關(guān)電源的最高直流輸出電壓為1000V，考慮200V的裕量，取變壓器的輸出電壓Uo=1200V，則二次側(cè)繞組的匝數(shù)為L(zhǎng)C諧振電路利用變壓器的漏感Lf和電容C構(gòu)成，從而省去了濾波電感，減小了系統(tǒng)的體積。經(jīng)測(cè)得，變壓器的漏感Lf=115μH，一般濾波器轉(zhuǎn)折頻率選擇為開(kāi)關(guān)頻率的1/10。

3 仿真測(cè)試

設(shè)置好系統(tǒng)中的參數(shù)，輸入的交流電為220V，要求指定的輸出電壓為100V直流電。仿真圖如圖2，仿真后其波形如圖3所示。穩(wěn)定后電源輸出值在100V，且波動(dòng)非常小。由此可見(jiàn)輸出完全可以達(dá)到設(shè)定值。

另外為了驗(yàn)證該開(kāi)關(guān)電源的可調(diào)性及其轉(zhuǎn)化效率對(duì)其進(jìn)行了多組仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果顯示電源的轉(zhuǎn)化效率非常高

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的超寬范圍開(kāi)關(guān)電源解決了傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓調(diào)整范圍窄，難以從 0 V 起調(diào)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)。本文通過(guò)仿真的形式，設(shè)計(jì)了一種輸出電壓穩(wěn)定，效率很高的開(kāi)關(guān)電源。仿真的測(cè)試結(jié)果表明，采用的高頻逆變技術(shù)使系統(tǒng)效率達(dá)到了 90% 以上，提高了系統(tǒng)效率。采用的恒壓差技術(shù)和低壓差技術(shù)在保證系統(tǒng)高效率的同時(shí)，降低了輸出電壓的紋波，提高了輸出電壓的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]祝龍記，石曉艷.電氣工程與自動(dòng)化控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2014.

[2]裴云慶，楊旭，王兆安.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]趙同賀.新型開(kāi)關(guān)電源典型電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]沙占友，于國(guó)慶.特種開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)方案[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2012，15（4）：60-64.

[5]張國(guó)安，祁承超，張顯才.瞬時(shí)并聯(lián)補(bǔ)償消除開(kāi)關(guān)電源高頻紋波的研究[J].電力電子技術(shù)，2008，42（6）：22-24.

[6]何惠森.基于AC-DC開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[7] CHOI H S，KIM J W，CHO B H. Novel zero-voltage and zero-current-switching（ZVZCS） full-bridge PWM converter using coupled output inductor[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2002，17 （ 5 ） ：641-648.endprint