【正文】 的要求，針對輸入的電壓的變化，變換器會有很好的響應(yīng)來達(dá)到輸出的要求，再一次 驗證 變換器滿足本文的參數(shù)要求，穩(wěn)定輸出 400V。完全滿足本文的設(shè)計要求。 （ 2） 分析了 Boost_flyback 變換器的電路拓?fù)涞墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ髁鞒?，重點分析工作原理，對這種拓?fù)溆泻芎玫恼J(rèn)識和學(xué)習(xí)，可以更好的應(yīng)用到實際項目和科學(xué)研究中 。該控制器采用雙閉環(huán)控制，分別在每個模式設(shè)計。從 輸出電壓的輸出波形 ， 可以清楚的看出閉環(huán)控制能夠很好的控制輸出，在較短的時間內(nèi)調(diào)整到目標(biāo)的輸出值。輸出是通過反激變換器和 Boost 變換器輸出串 聯(lián)。 仿真輸出結(jié)果及分析 仿真主電路 主電路硬件仿真系統(tǒng)的，設(shè)計參數(shù)參照第二章和第三章，仿真包括頻域和時域仿真。因 此，一個良好的，專業(yè)的電源設(shè)計軟件不僅在電源產(chǎn)品，它是從事設(shè)計及電源技術(shù)的設(shè)計開發(fā)必要的工具。 PSIM 可以分析包括模擬電路，數(shù)字電路和混合電路。 第 4 章主電路的仿真及結(jié)果分析 24 第 4 章 主電路的仿真及結(jié)果分析 PSIM 電力電子仿真軟件 PSIM 全稱 Power Simulation，是美國 Powersim 公司開發(fā) 的一款針對電力電子與電動機(jī)仿真的軟件，在歐美和日本廣為使用。 =,Ki=,KD= 圖 37 試湊仿真圖 (e) 根據(jù)公式我們可以進(jìn)一步優(yōu)化波形，所以減小 KD 的值，當(dāng) KD=,進(jìn)一步仿真圖如下： 第 3 章 電路參數(shù)計算及控制器設(shè)計 22 =,Ki=,KD= 圖 38 試湊仿真圖 (f) 試湊數(shù)據(jù)總結(jié)： 表 31 PID 試湊調(diào)試選擇的數(shù)據(jù) 調(diào)節(jié)規(guī)律 整定參數(shù)結(jié)果 Kp Ki KD P PI PID 基于邊界整定法的經(jīng)驗公式 ： 圖 39 試湊法公式參考 注：不一定嚴(yán)格按照此規(guī)律根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)，達(dá)到最優(yōu)為目的。曲線繞大灣漂浮，比例的度盤往小調(diào)。初始參數(shù)的意義即 相當(dāng)于沒有 PID 調(diào)節(jié)器的校正前系統(tǒng)。 按照穩(wěn)定邊界法經(jīng)驗公式表以及對應(yīng)的調(diào)節(jié)器類型整定相應(yīng)的 PID 參數(shù)，然后再進(jìn)行仿真校驗和微調(diào)。曲線波動其周期很長，可以把積分時間再加長一些。但也不是絕對的在低頻段的仿真需要驗證 KD,有可能可以有更好的結(jié)果。 一般情況下 ,KP 作為比例系數(shù)的增大會加快響應(yīng)速的度 ,對降低靜差有很大的好處。 根據(jù)設(shè)計要求采用試湊法或穩(wěn)定邊界法整定兩個 PI 控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下快速性好、超調(diào)量小，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真。2，平均電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力 。由于開關(guān)頻率很高，選擇肖特基二極管， ST 公司的 10A，最大反向重復(fù)電壓為100V，滿足設(shè)計要求。 本電路采用的是 RC 濾波，需要滿足： （ 3~5） RC=T/2；這里取 4RC=T/2。 MOS 管參數(shù)設(shè)計 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通的時候，流過 MOS 管的電流等于電源的輸入電流減去二極管 D1 的電流。通過對用戶提出的性能分析，進(jìn)行 Boost_Flyback 電力變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，確定了以 Boost_Flyback 拓?fù)渥鳛橄到y(tǒng)的主電路。 Boost DCDC變換器結(jié)構(gòu)圖見圖 22。在第 2 章 Boostflyback 變換器 12 里面，一個非線性大信號模型實際的開關(guān)元件可以得到。 C2R1D CC1 圖 215 [t1,t2] 階段 3 [t2， t3] 該階段，電感副邊電壓不足驅(qū)動二極管導(dǎo)通， D1二極管關(guān)斷，電感中的能量和電源繼續(xù)經(jīng) D2電路向負(fù)載供電，直至 S重新導(dǎo)通。零電流導(dǎo)通晶體管，二極管輸出整流并且零電流關(guān)斷。 根據(jù)波形圖，可以把電路的一個工作周期分為 4 個模態(tài)。 BFC 中， D1 相當(dāng) 于 Flyback 變換器的輸出二極管，D1 相當(dāng)于 Boost 變換器的輸出二極管，與反激變換器類似，通過改變變壓器匝比可以提高輸出電壓增益， D1 實現(xiàn)了主開關(guān)管的電壓鉗位，同時將變壓器漏感能量傳輸?shù)搅溯敵鰝?cè)。 第二章首先介紹了 Boostflyback 變換器的工作原理。轉(zhuǎn)換變壓器在電流連續(xù)模式下工作時 ,有較大的直流分量 ,容易使磁芯飽和 ,所以必須在磁路中加入氣隙 ,磁 力線在氣隙附近會有散磁通，也就是漏磁，這部分散磁通會切割鄰近的導(dǎo)線，從而改變了鄰近導(dǎo)線的鄰近效應(yīng)，使得磁場分布發(fā)生改變，從而影響漏感，而且氣隙也對漏感的影響較大。所以，在電路中必須解決此問題，最簡單有效的方式是加上 RC 緩沖電路，但 RC 緩沖電路不能根本解決電路的開關(guān)損耗。 Boost電路的優(yōu)點是可以是輸入電流連續(xù)，并且在整個輸入電壓的正弦周期都可以調(diào)制，因第 1 章 緒論 5 此可以獲得 很高的功率因數(shù)，該電路的 電感 電流 即為輸入電流，因而容易調(diào)節(jié)，同時開關(guān)管驅(qū)動信號與輸出共地，驅(qū)動簡單，此外輸入電流連續(xù)，開關(guān)管的電流峰值較小，因此對輸入電壓變化適應(yīng)強(qiáng)。隨后，在 Boost反激變換器的基 礎(chǔ)上，圖 (右 )所示的 Boost全波整流變換器被提出，改進(jìn)了半波整流結(jié)構(gòu)在電壓增益、輸出二極管電壓應(yīng)力等方面的不足。 (B): 開關(guān)電容型 Boost 變換器當(dāng)開關(guān)管當(dāng) S 開通時，電容 C2 被充電， C C3 對負(fù)載釋放能量；開關(guān)管 S 關(guān)斷，電容 C2 釋放能量 C1 與 C3 被充電。但是孰能電感在 Boost 升壓電路中起著極為關(guān)鍵的作用，一般而言，其電感值越大，匝數(shù)越多，阻抗就越大，這樣就會容易引起電感飽和，發(fā)熱量增加，嚴(yán)重威脅產(chǎn)品的壽命。相信隨著光伏發(fā)電在中國的普及和推廣應(yīng)用，光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計問題越來越受到社會的重視。 對基于串聯(lián)技術(shù)的直流變換器不同的工作模式進(jìn)行了仿真調(diào)試，測試了在不同條 件下的輸出電壓、電流波形。 主要研究內(nèi)容如下：闡述了 FlybackBoost 非隔離型高增益直流變換器工作原理，并在此基礎(chǔ)上給出了各個元 器件的參數(shù)設(shè)計，對比傳統(tǒng) Boost 直流變換器的優(yōu)缺點，保留了傳統(tǒng) Flyback 變換器器件數(shù)目少、電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，同時又具有電壓增益和效率高的特點，確定了基于串聯(lián)技術(shù)直流變換器總體設(shè)計方案。研究和實踐表明 ,直接由太陽輻射到地球上的能量非常豐富，分布廣泛，可以再生，而且不污染環(huán)境，每 40 秒鐘就有相當(dāng)于 210 億桶石油的能量，相當(dāng)于全球一天所消耗的能源，所以太陽能是國際社會公認(rèn)的不可再生能源的理想替代源。一般來說光伏陣列電池的輸出電壓比較小，必須經(jīng)過DCDC 升壓電路才能符合后級并網(wǎng)逆變器母線的標(biāo)準(zhǔn)。 (A): 開關(guān)電感 Boost 變換器當(dāng)開關(guān)管 S 開通時，兩個電感 L 并聯(lián)被輸入電源 Vi充電，而當(dāng)開關(guān)管 S 關(guān)斷時，兩個電感 L L2 串聯(lián)對負(fù)載釋放能量。 (A): 輸出側(cè)多電容結(jié)構(gòu) 耦合電感高增益直流變換器將 Boost 變換器的濾波電感作為耦合電感的原邊繞組，再將副邊繞組整流輸出并與 Boost 輸出電容串聯(lián)，可以得到輸出側(cè)多電容結(jié)構(gòu)耦合電感高增益直流變換器拓?fù)渥濉? 此類變換器具有以下優(yōu)點： (1) 開關(guān)管電壓應(yīng)力較低； (2) 利用箝位回路耦合電感漏感能量可以被無損的轉(zhuǎn)移； (3) 變換器電壓增益可以通過提高耦合電感的匝比 n 進(jìn)行擴(kuò)展。關(guān)斷期間由于電路電感的作用造成了非常高的尖峰電壓，所以形成關(guān)斷 損耗并變成 EMI 源。工作過程：當(dāng)導(dǎo)通MOS 管時，電源電流通過變壓器的原邊，原邊電流增大，而副邊因二極管 D1 的原因，電流大小為 0，變壓器增加磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度，變壓器儲存能量；當(dāng)關(guān)斷 MOS 管時，原邊電流很快降成 0，在反激作用下副邊電流迅速增加到峰值，隨后線性減小，此時原邊由于關(guān)斷開關(guān)管，電流為 0，變壓器磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，變壓器放能。電路具有結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件電壓應(yīng)力減少的 優(yōu)點。引入耦合電感 、 Boost、 Boost 組合變換等可以實現(xiàn)利用變壓器漏感能量，并實現(xiàn)開關(guān)管關(guān)斷電壓降低， 但拓?fù)浜涂刂谱兊脧?fù)雜。 DCM 模式下工作的變換器，開環(huán)模 式也可以控制輸出的功率，除此以外，開關(guān)管共地驅(qū)動，所以驅(qū)動、控制十分簡單。臨界的連續(xù)是特例的連續(xù)。如圖 [t0,t1]。當(dāng)開關(guān)控制關(guān)閉，開關(guān)管導(dǎo)通提供回路共電感放電。由采用耦合電感，一個集成的升壓，反激轉(zhuǎn)換器與高電壓增益，提出了高效率、高電壓升壓轉(zhuǎn)換器的增益，其中的操作類似于其對應(yīng)與的有源 鉗位電路，只有一個二極管代替活躍的電源開關(guān)。 ()gVt代表輸入電壓 。 第 3 章 電路參數(shù)計算及控制器設(shè)計 14 第 3 章 電路參數(shù)計算及控制器設(shè)計 設(shè)計要求： 設(shè)計單開關(guān)高增益升壓變換器： 輸入電壓： 20V~40V 輸出電壓： 400V 額定功率： 100W 開關(guān)頻率： 100kHz 短路能力 ： 輸出短路時具有電流限制能力 ， 故障解除后能自然恢復(fù) ； 保護(hù)功能 ： 具有輸 出過壓和欠壓保護(hù)、過流和短路保護(hù)、輸入反極性保護(hù)以及輸入欠壓保護(hù) 。 選擇 MOS 管時，在網(wǎng)站上面輸入最大漏源電流，最大漏源電壓，然后選擇比較常用的開關(guān)管品牌。 電感值計算： 由于此電感在其中的 Boost 電路中作為電感使用，在 Flyback 電路中作為變壓器使用，因此電感值取決于 Boost 電路。峰值電流的閉環(huán)控制系統(tǒng)是電壓控制回路作為控制變量，峰值電壓通過開關(guān)管作為反饋，電壓控制回路的輸出信號，開關(guān)電壓管斷續(xù)狀態(tài)只能被用于控制電壓峰值，所謂的峰值電壓閉環(huán)控制系統(tǒng) 。因此本文采用的 Boost_flyback DCDC 轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制技術(shù)的用于閉環(huán)控制的平均電壓。例如人就像一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有負(fù)反饋的特點，眼睛作為傳感器，第 3 章 電路參數(shù)計算及控制器設(shè)計 18 充當(dāng)反饋，人可以根據(jù)負(fù)反饋做出正確的決定。 本系統(tǒng)適合應(yīng)用 PI 整定，因為 PI 和 PID 的區(qū)別在于 PID 加入了微分緩解，可提前放大偏差值， PI 適應(yīng)大多數(shù)場合， PID 適應(yīng)滯后嚴(yán)重的場合。因曲線振蕩頻繁，比例的度盤放大。 試湊法求 PI參數(shù) 分為以下幾步 1）將積分系數(shù) KI 和微分系數(shù) KD 設(shè)為 0， KP 置較小值，使系統(tǒng)投入穩(wěn)定運(yùn)行。 4）初始化參數(shù)并逐步整定 PID 參數(shù) 在 PSIM 的 PI 輸入： Gain 與 Time Constant 的值 。采用夾逼法，先把 Kp 設(shè)一較大值，看系統(tǒng)是否穩(wěn)定，穩(wěn)定就令 Kp=2*Kp,不穩(wěn)定就令Kp=Kp/2，直到出現(xiàn)臨界穩(wěn)定。 =,Ki= 圖 35 試湊仿真圖 (c) 同時根據(jù) PID 各部分參 數(shù)對系統(tǒng)過程的影響，我們適當(dāng)減少 Ki 即增大積分時間常 21 數(shù) ,減弱積分作用，再次優(yōu)化一下 ,令 Ki=。 采用基于仿真環(huán)境下的 PID 參數(shù)整定方法與傳統(tǒng) PID 參數(shù)整定方法相比較，其特點是：簡單、直觀、有效、完全可視化且物理意義明確。隨著高速，友好的用戶界面，波形分析等功能的仿真，電力電子電路分析，控制系統(tǒng)設(shè)計，電機(jī)驅(qū)動研究有效地提供了強(qiáng)大的 仿真環(huán)境。 電源設(shè)計，尤其是開關(guān)電源的設(shè)計，占據(jù)了新產(chǎn)品開發(fā)的重要位置。但由于國內(nèi)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和公司不太重視仿真應(yīng)用， 所以相關(guān)的研究較少，沒有形成系統(tǒng)化的文檔體系，這給想學(xué)習(xí)仿真軟件應(yīng)用的工程師造成了許多的困擾，始終在門外徘徊而不得入。 第 4 章主電路的仿真及結(jié)果分析 26 圖 422 Boost_flyback 中反激端電壓輸出波形 圖 423 Boost_flyback 中 Boost 部分電路端輸出電壓波形 圖 424 Boost_flyback 中反激端電流輸出波形 27 圖 425 Boost_flyback 中 Boost 部分電路端輸出電流波形 圖 426 Boost_flyback 升壓電路端輸出電流波形 圖 427 Boost_flyback 輸出電流波形紋波 其中反激式一 BFC 功率二極管的輸出端負(fù)載條件二極管電壓波形的，輸出側(cè)對應(yīng)于該開關(guān)閉驅(qū)動器管漏源電壓波 形，波形分析和實驗原理完全一樣，顯示了理論分析圖中的正確性，二極管電流開關(guān)和高頻振蕩漏源電壓由線路發(fā)送引起，可以從圖中可以看出，二極管的電流是性質(zhì)被降低到零，不存在二極管的反向恢復(fù)問題。 負(fù)載突加的實驗仿真波形 耦合電感的原籍繞組的電流與次級繞組的電流比值是匝數(shù)比的倒數(shù)；輸入電壓和輸入電流的乘積與輸出電流和輸出電壓的乘積相等，均等于額定輸出功率；兩個濾波電容的電壓等于電路輸出電壓 。 31 本章總結(jié) 通過理論分析，進(jìn)一步理解具體升壓反激電路工作的，并通過控制電壓反饋雙回路穩(wěn)定的輸出。電源變換器作為電動汽車和光伏發(fā)電系統(tǒng)的 主要設(shè)備，得到了飛速的發(fā)展，電源變換器的主要開關(guān)器件，它可靠性影響到變換器的穩(wěn)定性，所以對電源變換器電路研究具有重要重要意義，回顧了電源變換器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。最重要的是要了解該工程應(yīng)用是從理論研究，明確了兩者之間的差異不同。 從 20%的負(fù)載突然加到滿載的輸出電壓波形和電流波形如下圖 4212 仿真所示： 第 4 章主電路的仿真及結(jié)果分析 30 圖 4212 負(fù)載從 20%加到滿載仿真圖