一种超宽范围开关电源的MATLAB仿真

郑娥湄+高昕

摘 要：本文针对传统开关电源输出电压调节范围窄，无法实现从零开始调节的缺点，设计了一种基于电压反馈调节的开关电源来调节电源的输出电压。该开关电源采用高频逆变技术LC谐振整流电路，可以有效减小了系统损耗和系统体积，提高系统效率。最后用Matlab/Simulink建立了仿真模型，对其进行了仿真测试。仿真结果证明了这种控制策略的正确性，电压可以实现从零开始调节并有非常高的转化效率。这是一种高效可靠的电源设计方案。

关键词：电压反馈；高频逆变；LC谐振

1 引言

直流稳压电源是对某种电能进行变换和控制，并把稳定直流电能提供给各种负载的一种设备，主要分为线性电源和开关电源两种。线性电源由于调整管的功耗大，转换效率低，体积和重量大等缺点，因此使得其在使用中受到了限制。开关电源由于其效率高，体积小和可靠性高等优点，在直流稳压电源中广泛使用。由于一般的开关电源普遍存在的输出电压调节范围窄，难以做到从零开始调节的问题，因此一些需要较宽电压范围的的设备就无法使用。针对目前开關电源电压调整范围窄的不足，本文设计了一种从零起调，具有宽调整范围的开关电源。并用MATLAB对其进行了仿真，仿真结果可以实现从零起调，且电压稳定。

2 设计方案

2.1 输入整流电路的设计

输入整流电路将市电变换为直流电，提供给全桥逆变电路。开关电源的整流电路是由二极管组成的不可控的桥式电路，其优点为结构简单，但其输入电流是位于输入电压峰值附近的脉冲波，而不是正弦波，造成了很严重的畸变。使得输入电流中含有很严重的谐波成分，其污染了电网，降低了开关电源的功率因数。本文在桥式不可控整流电路中加入LC谐振电路，可以提高功率因数，降低谐波成分。采用LC 谐振电路的桥式不可控整流电路如图1所示。此电路结构简单，可以提高不可控整流电路功率因数，使其到0.9左右。

2.2 全桥逆变电路设计

全桥逆变电路及整流滤波电路，是把检测到的逆变输出的有效值的信号送给PWM波调制，全桥逆变电路的开关管由IR2110驱动电路进行控制。全桥逆变电路输出的 PWM 信号通过 LC谐振电路后，得到的正弦电压与正弦载波信号同频率，然后通过高频变压器隔离升压后送给整流滤波电路。

通过输出电压的误差信号来控制调整管，加以调节输出电压的幅值，使得输出电压稳定在我们需要的一个设定值，输出电压的纹波是通过调整管的信号来控制，使其减小。控制信号通过控制正弦载波信号的幅值来控制信号的占空比，从而调节输出电压由于逆变电路采用双极性信号控制，因此当正弦载波信号的幅值为零时，逆变器的控制信号的占空比为50%，交流输出为0，从而实现从零开始调节。

2.3 变压器的设计

变压器的输入电压Ui= ×220≈311V。变

压器的一次侧绕组的匝数为

式中：f———输入电压频率。

Np取整，可得一次侧绕组的匝数为7匝由于超宽范围开关电源的最高直流输出电压为1000V，考虑200V的裕量，取变压器的输出电压Uo=1200V，则二次侧绕组的匝数为LC谐振电路利用变压器的漏感Lf和电容C构成，从而省去了滤波电感，减小了系统的体积。经测得，变压器的漏感Lf=115μH，一般滤波器转折频率选择为开关频率的1/10。

3 仿真测试

设置好系统中的参数，输入的交流电为220V，要求指定的输出电压为100V直流电。仿真图如图2，仿真后其波形如图3所示。稳定后电源输出值在100V，且波动非常小。由此可见输出完全可以达到设定值。

另外为了验证该开关电源的可调性及其转化效率对其进行了多组仿真实验测试。其测试结果显示电源的转化效率非常高

4 结论

本文设计的超宽范围开关电源解决了传统开关电源输出电压调整范围窄，难以从 0 V 起调的缺点，实现了开关电源输出电压的宽范围调节。本文通过仿真的形式，设计了一种输出电压稳定，效率很高的开关电源。仿真的测试结果表明，采用的高频逆变技术使系统效率达到了 90% 以上，提高了系统效率。采用的恒压差技术和低压差技术在保证系统高效率的同时，降低了输出电压的纹波，提高了输出电压的质量。

参考文献

[1]祝龙记，石晓艳.电气工程与自动化控制系统的MATLAB仿真[M].徐州：中国矿业大学出版社，2014.

[2]裴云庆，杨旭，王兆安.开关稳压电源的设计和应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]赵同贺.新型开关电源典型电路设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]沙占友，于国庆.特种开关电源关键电路的设计方案[J].电源技术应用，2012，15（4）：60-64.

[5]张国安，祁承超，张显才.瞬时并联补偿消除开关电源高频纹波的研究[J].电力电子技术，2008，42（6）：22-24.

[6]何惠森.基于AC-DC开关电源系统的电磁兼容设计及稳定性研究[D].西安：西安电子科技大学，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