【开关型功率放大器仿真模型搭建与结果分析案例2400字】

开关型功率放大器仿真模型搭建与结果分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u28689开关型功率放大器仿真模型搭建与结果分析案例 1130651.1仿真模型的模块组成 282031.1.1主电路仿真模型 2210481.1.2并联交错主电路模型 2162021.1.3载波移相SPWM调制模块 3245001.1.4多电平模块 4123511.1.6负载模块 6120851.1.7控制模块 637781.2控制策略效果对比 741581.2.1准比例谐振控制 7192151.2.2比例控制 8158101.3拓扑结构对比 10为了验证本文拓扑结构和所设计控制策略的有效性，本研究在Matlab/Simulink实验环境下搭建了基于并联交错多电平变换器的开关型功率放大器模型。仿真的具体参数如表1.1所示。表1.1仿真参数参数符号数值额定直流侧电压400V开关频率0～100kHz等效开关频率2.4MHz级联模块数NNPC：12FC：4滤波电容98.6nF滤波电感1.1551.1仿真模型的模块组成1.1.1主电路仿真模型主电路仿真模型中主要包含以下几个模块：并联交错主电路模块、SPWM信号发生模块、多电平模块、负载模块、滤波器模块、控制模块。本研究分别仿真了带非线性负载（不可控整流）频率为50Hz、10kHz和100kHz的输出电压电流；在输出10kHz情况下，在0.0001s进行负载突变；最后仿真了该系统的阶跃响应。以下分别介绍各个模块对应的仿真模型以及功能。1.1.2并联交错主电路模型1.1.2.1NPC三电平主电路模型NPC三电平并联交错主电路模型如图所示，其中输入端为直流电压源400V，分别接在输入接口PO和输入接口ON处。正负极各6个模块采取并联交错的方式与直流电压源相连接。调制策略采用载波移相SPWM调制，每个模块对应一个PWM信号发生器，信号发生器的输入为周期为100kHz的正弦波信号。并联交错的12个模块输出到LC滤波器进行滤波，从而输出逆变器输出电压。1.1.2.2FC七电平主电路模型FC七电平并联交错主电路模型如图所示，其基本布局与NPC三电平并联交错主电路模型基本一致，主要区别在于FC模块数为4个，SPWM调制模块数也为4个，其余原理基本相同。1.1.3载波移相SPWM调制模块1.1.3.1NPC三电平SPWM调制模块如图为NPC三电平模块的载波移相SPWM调制模块，共12个，上图取其中一个载波移相模块加以说明。三角载波由三角波发生器发出，并进行半个周期的平移，得到两个三角载波，分别与正弦波发生器产生的正弦波进行比较，经过逻辑操作器的与、或、非操作输出单个模块的SPWM信号。此外在每个PWM信号发生器模块中加入了一个时延模块，定义一个死区时间100ns，目的是为防止同一个桥臂的上下两个MOS管同时导通。值得注意的是，每个载波移相SPWM模块所输入的三角载波波形频率相等，但是相位各差1/24个周期，满足了载波移相SPWM调制的要求。此时满足了半个周期内的载波移相，另外半个周期的载波移相只需要给予输入正弦波一个（-1）的增益，仍然与该三角载波进行比较，便可得到后半个周期的SPWM信号。1.1.3.2FC七电平SPWM调制模块以上为四个FC七电平SPWM调制模块之一，sin端口的输入信号分别与6个相位差pi/3的三角载波进行比较，然后将比较后的信号送至PWM信号发生器（如图），PWM信号发生器的原理与NPC三电平模块的信号发生器原理相同，此处不再赘述。1.1.4多电平模块1.1.4.1NPC三电平模块根据第二章介绍的NPC二极管钳位型三电平逆变器的拓扑结构可以得出以上仿真模块，其中两个二极管D1和D2作为钳位二极管。另外为了实现模块化，引出了开关管的正极、负极和中间电位，以及二极管的中点。PWM波通过总线传输到各个开关管，使每个模块可以输出三电平。1.1.4.2FC七电平模块上图为飞跨电容（FC）七电平模块，根据第二章所介绍的飞跨电容拓扑结构所搭建，其中C1～C5为飞跨电容飞跨于12个开关管之间。1.1.6负载模块负载模块如图所示，主要包括非线性负载R、L、C、RL、RC以及不可控整流的非线性负载RL。与各个负载相连的断路器设定了特定的动作时间，在输出10kHz情况下，在0.0001s进行负载突变，借此反应负载突变时控制系统的反应速度和控制能力。1.1.7控制模块1.1.7.1准比例谐振控制模块根据第五章所讲的准比例谐振控制的传递函数，可以得到上图所示的系统框图，将其进行封装后，整定合适的和的参数，就可以实现准比例谐振控制。准比例谐振控制模块主要包括电流环和电压环，二者的设计方法相同，根据以上提到的传递函数建模即可，此处不再赘述。1.1.7.2比例控制模块比例控制模块主要包括电流内环比例控制和电压外环比例控制。采用gain模块作为比例控制的增益部分即可。1.2控制策略效果对比为了探究在本研究中是选用准PR控制还是P控制，本研究对两种控制策略都进行了仿真。本次仿真在带非线性负载（不可控整流）在100kHz的频率下使用NPC三电平拓扑结构为例观察输出的电压电流波形以及THD含量，具体仿真参数如下：参数数值模块NPC三电平：12个模块直流侧电压400V输出电压峰值311V滤波电感值1.15μH滤波电容值98.6nF载波频率100KHz等效开关频率2.4MHz死区时间100ns1.2.1准比例谐振控制1.2.2比例控制根据以上两种控制策略所产生的输出电压波形对比，可以发现采用准PR控制策略时，输出电压基波的幅值可以有效控制在309.1V左右，其THD含量也仅有0.20%，即使搭载了不可控整流的非线性负载，导致其输出电流非正弦，其电压输出也依然稳定，证明了准比例谐振控制策略的有效性。与此相对应，采用比例控制时，输出电压的幅值控制在281.2V左右，THD含量为0.21%，与预期的310V输出电压幅值存在一定差距，这是单纯使用比例控制所无法避免的稳态误差，与准比例谐振控制相同，比例控制的控制效果也同样出色，因此采用比例控制也是有效的控制方案。在本研究中，考虑到所研制的功率放大器通常工作在极高的开关频率下，虽然准PR控制抗扰动的能力更强，可保证零稳态误差，但也会带来相应的响应延迟，对于在高频段工作的功率放大器而言，比例控制的抗干扰能力与准控制效果基本一致，因此，考虑到系统对于动态性能的要求，本研究后文中统一采用比例控制进行仿真。1.3拓扑结构对比鉴于上文所提出的两种不同的多电平结构，为了分析哪种模块更适合本次开关型功率放大器的研制，对以上两种不同的拓扑结构分别进行了仿真和对比。本文分别仿真了带非线性负载（不可控整流）频率为50Hz、10KHz和100KHz的输出电压