【某车载逆变电源系统仿真与样机测试分析案例3900字】

参考文献]。图5-1系统仿真模型1.1.1DC/DC升压电路建模DC/DC升压电路的仿真模型中主要包含有24V直流输入、MOSFET模块、高频变压器模块、全桥整流模块、滤波电容模块、PWM生成模块以及PI控制器。如图5-2所示为DC/DC升压电路的仿真模型，仿真模型按照前文设计结构搭建，模型中器件的参数按照1.1节选择的元器件的参数设置。图5-2DC/DC升压仿真模型仿真模型中PWM生成模块的作用是输出频率为25kHz并且互补的两路PWM驱动信号，然后通过这两路PWM驱动信号控制升压电路中的MOSFET。PWM驱动信号生成模块内部如图5-3所示，PWM驱动信号由频率为25kHz的等腰三角波和PI调节器输出的参数比较生成。图5-3PWM生成模块如图5-4所示是由PWM生成模块输出的两路PWM驱动信号，图中两路PWM驱动信号的占空比为50%，并且两路信号互补，频率为25kHz。图5-4两路PWM驱动信号输入的24V直流电经过MOSFET的开通和关断作用，将在变压器初级线圈两端形成高频脉冲电压，在高频变压器中心抽头两端的线圈测得的电压波形如图5-5所示。图中脉冲电压的幅值为±24V，频率为25kHz，从图中可以看到，因为两路驱动信号互补，使得变压器初级的中心抽头的两端不会在同一时刻出现相同电压的情况。图5-5变压器初级输入电压高频变压器在升压电路中的作用是将输入的低压电转换成高压电，即将前级升压电路中输入的24V升至360V。如图5-6所示为四个高频变压器次级线圈串联后输出的电压波形，从图中可以看到，四个变压器次级线圈串联后输出的脉冲电压的幅值为±360V,频率为25kHz。图5-6变压器次级输出电压在开环状态，对整个系统进行仿真，当输入的直流电压为24V时，前级升压电路中整流桥输出的电压波形如图5-7所示。从图中可以看到，在0s~0.1s内，整流输出的电压正处于上升状态，在0.1s~0.14s内，整流输出电压一直在振荡，在这段时间内，电压的峰值约为380.7V，从0.14s后，整流输出电压趋于稳定状态，稳定时电压的大小约为356.1V。图5-7开环时整流输出电压波形前级升压电路为后级逆变电路提供电压，如果前级升压电路输出电压不稳定，后级逆变输出值也会发生波动，这对系统的稳定运行是不利的。为了保证逆变输出电压的稳定，前级升压电路的工作状态需要快速达到稳定状态，因此对升压电路引入了电压反馈控制。控制器的仿真模型如图5-8所示。控制过程为：首先将PI控制器中的电压参考值设定为360V，然后将整流输出端采集的电压和参考电压值比较，得到的值为误差信号，然后将误差信号送入PI控制器，通过PI控制器调节后输出误差控制信号，为了保证变压器中心抽头两端不会在同一时刻导通，在PI控制器后面添加了一个限幅器使输出的误差控制信号的值不能高于0.5；如果PI控制器输出的值在0~0.5内，限幅器不会改变该值，若PI控制器输出的值大于0.5，则限幅器输出的值为0.5，然后将误差控制信号送入PWM驱动信号生成器内。图5-8PI控制器前级升压电路加入PI控制器后整流输出的电压波形如图5-9所示。从图中可以看到，整流输出电压约在0.02s时电压值达到了稳定状态，稳定时的电压为358.5V。而且，在0~0.02s内电压波动的幅度不高，在这段时间内电压的峰值为362.1V。与开环状态相比，当加入PI控制器后，整流输出的电压能够快速的完成升压过程，并且能够在短时间内进入稳定状态。图5-9闭环时整流输出电压波形通过比较开环状态下的仿真结果图5-7与加入PI控制器后的仿真结果图5-9，可以看到，在加入PI控制器后的整流输出电压波形能够快速的进入稳定状态，并且电压峰值也能控制在比较低的范围内，稳定后的电压值维持在358.5V。图5-9证明了该控制电路能改善前级升压电路稳定性，提高前级升压电路的动态响应速度。前级升压电路为后级逆变电路提供输入电压，因此，前级升压电路的PI控制器的设计对提高车载逆变电源系统的稳态性能具有重要作用。1.1.2DC/AC逆变电路建模DC/AC逆变仿真模型主要包含有全桥逆变器(IGBT)、LC滤波器、SPWM生成模块以及PI控制器和重复控制器。如图5-10所示为DC/AC逆变电路仿真模型，仿真模型按照前文设计参数配置。DC/AC逆变电路在整个系统中的作用是将直流电压经过逆变滤波后输出220V/50Hz的交流电，同时为了确保输出的交流电压质量满足设计要求，后级逆变电路采用了PI控制加重复控制的复合控制方案。图5-10DC/AC逆变电路仿真模型DC/AC逆变电路仿真模型中的SPWM生成模块的模型如图5-11所示，由频率为25kHz的三角波和频率为50Hz的正弦波比较生成SPWM驱动信号。生成的四路SPWM驱动信号如图5-12所示，图中，SPWM1和SPWM2为逆变桥上同一个桥臂的开关信号，SPWM3和SPWM4为逆变桥上另一个桥臂的开关信号。图5-11SPWM驱动信号生成模块图5-12四路SPWM驱动信号前级升压电路输出的直流高压经过逆变器后输出的电压波形如图5-13所示。图中逆变输出的电压幅值为±360V，频率为50Hz。图5-13逆变器输出电压波形整个电源系统模型搭建完成后，对系统进行满功率测试，负载为纯阻性负载，大小为19.36Ω。当后级逆变电路只采用PI控制器时，系统输出的电流电压波形和电压频谱图如图5-14所示。从图中可以看到，满载时，输出电流的峰值稳定在11.52A，对应的输出电流有效值为10.97A；输出电压的峰值可以稳定在311.9V，对应的输出电压有效值为220.5V，此时测得输出电压谐波失真度THD为6.79%。a)PI控制仿真输出电流、电压波形b)PI控制仿真输出电压谐波失真度图5-14PI控制仿真波形为了降低输出电压波形的谐波失真度，后级逆变电路引入了重复控制器，重复控制器如图5-15所示，重复控制器的参数按照2.2.4节计算的参数设置。当逆变电路采用PI控制器加重复控制器的复合控制策略时，对系统进行满载测试，系统输出的电流、电压波形和电压频谱图如图5-16所示，图中输出电流的峰值稳定在11.81A，输出电流有效值为11.18A；输出电压的峰值稳定在312.9V，输出电压有效值为221.3V，此时测得输出电压的谐波失真度THD为1.74%。图5-15重复控制器模型a)复合控制仿真输出电流、电压波形b)复合控制仿真输出电压谐波失真度图5-16复合控制仿真波形对比图5-14和图5-16的仿真结果，可以看到，当系统只采用PI控制器时，输出电压有效值能达到设计要求，但是输出电压的谐波失真度比较高；当系统采用PI控制器加重复控制器相结合的控制方案时，在输出电压有效值能到设计要求的同时，输出电压的总谐波失真度也降低了，提升了输出电压的波形质量，证明了设计的合理性。1.2样机测试按照前文设计制作的样机实物如图5-17所示，样机分为4个部分，分别是辅助电源板、功率板、主控采集板和驱动板，其中辅助电源板的作用是给功率板、驱动板和主控采集板上的部分芯片供电。由于实验室条件的限制，当前能提供的直流电源的电压范围为0~600V，电流范围为0~30A。而本文的样机设计输入直流电压为24V，因此对样机的测试功率将在700W以内进行。图5-17样机实物1.2.1前级DC/DC升压电路测试图5-18是在前级升压电路中MOSFET的栅极-漏极两端测得的波形，通道1测试的是变压器中心抽头上端的MOSFET栅-源极的电压，通道4测试的是变压器中心抽头下端的MOSFET栅-源极的电压，图中每格代表5V，因此，图中测得的两路PWM驱动信号的幅值约为11.6V。图5-18MOSFET驱动波形如图5-19所示为高频变压器初级线圈端的测试波形，通道2使用的是1:1的测试探头，图中每格代表50V为实际值；由于通道3使用的是衰减系数为1:100的测试探头，图中显示通道3每格代表50mV，经过100倍放大后，实际中每格代表50V。从图中可以看到，经过MOSFET的作用后，变压器初级测得的电压为±24V。图5-19变压器初级输入电压波形如图5-20所示为4个高频变压器次级线圈串联后输出的电压波形，使用的是衰减系数为1:100测试探头。从图中可以看到，光标a、b之间测得的波形上、下电压幅值分别为-1.54V和+1.54V，因此实际的电压幅值为±354V。图5-20变压器串联输出电压波形如图5-21所示为4个高频变压器次级线圈串联后再经过整流桥变换输出的电压波形，测试该点数据时使用的是衰减系数为1:100的测试探头，从图中可以看到a、b两个光标间测得的电压值为1.54V，因此实际电压值为354V。图5-21整流输出电压波形从前级DC/DC升压电路的各个测试点的电压波形来看，前级电路的设计能达到预期结果，当输入24V直流电压，经过变压器升压和全桥整流后能输出幅值为354V的直流电压。电压不能达到360V的原因是电路中的元器件会对电压有损耗，所以输出为354V时，可以证明前级升压电路设计合理。1.2.2后级DC/AC逆变电路测试如图5-22所示为逆变器的同一桥臂的上、下两路SPWM驱动信号，图中每格代表5V，因此图中的SPWM驱动信号电压幅值为15V。图5-22SPWM驱动信号如图5-23所示为经过全桥逆变后输出的电压波形，通道3使用的是衰减系数为1:100的测试探头，图中每格表示2V，实际每格表示的幅值为200V，因此图中逆变电压值为360V。图5-23逆变桥输出电压波形全桥逆变器输出的电压经过滤波后输出的电压波形如图5-24所示，2通道测试使用的为衰减系数为10:1的探头，图中每格表示的幅值为10V，实际每格代表的幅值为100V，因此图中最终输出电压的峰值为308V，对应的有效值为217.8V，符合设计要求。图5-24滤波后输出电压波形1.2.3样机效率测试由于实验条件的限制，不能完成满功率的测试，因此测试条件在700W以内进行，利用现有条件对逆变电源进行不同负载的测试，测试结果如表5-1所示。当输入电压固定为24V，负载不断增加时，可以看到输出电压有效值在218.1V~222.5V内，系统的效率能一直保持在90%以上，所有测试数据中，输出有