【正文】 電源變換器作為電動(dòng)汽車(chē)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(kāi)關(guān)器件，它可靠性影響到變換器的穩(wěn)定性，所以對(duì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第 5 章總結(jié)與展望 32 第 5 章 總結(jié)與展望 全文總結(jié) 本文采用雙閉環(huán)控制方法，實(shí)現(xiàn) 高增益、高效率的實(shí)現(xiàn)直流功率變換， 主要完成了以下幾方面工作： （ 1） 通過(guò)對(duì)用戶(hù)提出的性能指標(biāo)分析，進(jìn)行 Boost_flyback 變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，確定了以電壓拓?fù)渥鳛橄到y(tǒng)的主電路。因?yàn)樵谀Ｐ椭?，轉(zhuǎn)換器的理想的工作原理，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須調(diào)整控制器。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。 31 本章總結(jié) 通過(guò)理論分析，進(jìn)一步理解具體升壓反激電路工作的，并通過(guò)控制電壓反饋雙回路穩(wěn)定的輸出。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(shí)間內(nèi)調(diào)整到目標(biāo)的輸出值。完全滿(mǎn)足本文的設(shè)計(jì)要求。 從 20%的負(fù)載突然加到滿(mǎn)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(mǎn)載仿真圖 上圖是負(fù)載 按 8Hz 的頻率，從 100%突然減少到 20%， 從 20%突然增加到 100%，即：在滿(mǎn)載的時(shí)候，負(fù)載電阻是 1600 歐，在 20%的負(fù)載的時(shí)候，負(fù)載電阻是 8000 歐。 負(fù)載突加的實(shí)驗(yàn)仿真波形 耦合電感的原籍繞組的電流與次級(jí)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(gè)濾波電容的電壓等于電路輸出電壓 。 觀察此圖可以驗(yàn)證其輸出電壓是否在多種輸入電壓頻率變化時(shí)候可以達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)也是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。針對(duì)超調(diào)量的問(wèn)題，在實(shí)際運(yùn)用中，可以通過(guò)加軟啟動(dòng)或者啟動(dòng)的時(shí)候加限流電阻和繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)輸出電壓。 從仿真圖結(jié)果表明，輸出結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 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(duì)應(yīng)于該開(kāi)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器管漏源電壓波 形，波形分析和實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)和高頻振蕩漏源電壓由線(xiàn)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(wèn)題。 圖 421 仿真系統(tǒng)框圖 為了研究高效率降壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性與實(shí)用性，本次論文采用的仿真軟件是 PSIM 軟件 ,電路連接圖如圖 421 該電路原理分析見(jiàn)第二章，開(kāi)關(guān)管用 PWM 脈沖產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)控制開(kāi)關(guān)頻率。仿真利用 PSIM 軟件，仿真的原始傳遞函數(shù)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)功能的轉(zhuǎn)移函數(shù)，并在頻域波形系 統(tǒng)補(bǔ)償后。 25 所以， 優(yōu)先 選擇 PSIM 作為本論文的仿真軟件，利用此軟件很好的得到實(shí)驗(yàn)需要的結(jié)果。但由于國(guó)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(méi)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(mén)外徘徊而不得入。但軟件不容易上手，調(diào)試的界面單板，觀察波形也方便利索。 相比于 PSIM 的人性化和友好界面， MATLABSIMULINK 的 SimPowerSystem 工具箱構(gòu)造了該同變換器系統(tǒng)模型，功能強(qiáng)大，應(yīng)用范圍廣泛，但不是專(zhuān)門(mén)的電力電子仿真軟件，是附帶的軟件包。在這個(gè)階段的電源設(shè)計(jì)，依托打造傳統(tǒng)手段和測(cè)試電路的經(jīng)驗(yàn)顯然不能滿(mǎn)足電源在當(dāng)今社會(huì)的設(shè)計(jì)要求，無(wú)論從試驗(yàn)周期和開(kāi)發(fā)成本也很難承受。 電源設(shè)計(jì)，尤其是開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，占據(jù)了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要位置。主要涉及 PSIM 的電源設(shè)計(jì)的特定應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。它充分控制模擬處理通過(guò)直觀的圖形用戶(hù)界面，并通過(guò)的穩(wěn)態(tài)分析，時(shí)域，頻域，統(tǒng)計(jì)，可靠性和控制測(cè)試系統(tǒng)的性能。例如，在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部的領(lǐng)域的發(fā)展，使用 MATLAB / Simulink 的實(shí)現(xiàn)方式中，主電路部分和外圍電路由 PSIM，通過(guò)電磁分析軟件 JMAG 實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)的一部分，它們被連接到實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)現(xiàn)綜合分析，高精度仿真系統(tǒng)。隨著高速，友好的用戶(hù)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(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究有效地提供了強(qiáng)大的 仿真環(huán)境。 PSIM 具有仿真高速、用戶(hù)界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究等有效提供強(qiáng)有力的仿真環(huán)境。 PSIM 是由 SIMCAD 和 SIMVIEM 兩個(gè)軟件來(lái)組成的。采用邊界整定法試湊出滿(mǎn)足要求的 PID 參數(shù)，給仿真帶來(lái)極大的好處。 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(diǎn)是：簡(jiǎn)單、直觀、有效、完全可視化且物理意義明確。每個(gè)模型的傳遞函數(shù)由頻域仿真在軟件環(huán)境而得 。 23 本章主要闡述了電路結(jié)構(gòu)和 Boost_flyback 變換器的電路模型，推導(dǎo)出的電源電路和控制電路的模式，進(jìn)行了深入分析電壓的特性來(lái)控制轉(zhuǎn)換器在 CCM 模式，電路采用閉環(huán)，內(nèi)環(huán)是電壓環(huán)，對(duì)干擾的反應(yīng)迅速，增加動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，外環(huán)保證對(duì)誤差有很好的調(diào)節(jié)，得到無(wú)誤差穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。 =,Ki= 圖 36 試湊仿真圖 (d) 這個(gè)波形圖已經(jīng)不錯(cuò)了還可以對(duì) KD 進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù) PID 各部分參數(shù)對(duì)系統(tǒng)過(guò)程的影響，其傳遞函數(shù)為：微分器的傳遞函數(shù)被定義為： G（ S） = sT 其計(jì)算公式為： ste pste pinino tttVtVTtV ))()(()( ???? (317) 我們適當(dāng)調(diào)節(jié) KD， 當(dāng) KD= 再次仿真。 =,Ki= 圖 35 試湊仿真圖 (c) 同時(shí)根據(jù) PID 各部分參 數(shù)對(duì)系統(tǒng)過(guò)程的影響，我們適當(dāng)減少 Ki 即增大積分時(shí)間常 21 數(shù) ,減弱積分作用，再次優(yōu)化一下 ,令 Ki=。 根據(jù) PID 各部分參數(shù)對(duì)系統(tǒng)過(guò)程的影響，我們適當(dāng)減少 Ki 即增大積分時(shí)間常數(shù) ,減弱積分作用，可以有效優(yōu)化波形 ,令 Ki=。曲線(xiàn)的偏離和回復(fù)很慢，積分時(shí)間可以往下調(diào)節(jié)。 =， Ki=0 圖 34 試湊仿真圖 (b) 根據(jù)前面的口訣調(diào)節(jié)，完全可以找到相對(duì)穩(wěn)定的 Kp，上圖的就可以達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的情況，但是還可以在改進(jìn)一下，反復(fù)嘗試，達(dá)到最優(yōu)的控制效果。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。 圖 33 試湊仿真圖（ a) 第 3 章 電路參數(shù)計(jì)算及控制器設(shè)計(jì) 20 從仿真結(jié)果看，校正前該系統(tǒng)在階躍輸入下是穩(wěn)定的，但是存在明顯的穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的弱點(diǎn)。點(diǎn)擊 Run Smiulation 開(kāi)始仿真。 然后回到 PSIM 主界面，就可以開(kāi)始仿真了。 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 。調(diào)節(jié)過(guò)程很枯燥，要耐心。 參數(shù)整定尋最佳，從小往大順序找。記錄此時(shí)的 KP 和臨界振蕩的振蕩周期 T。 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。理想的曲線(xiàn)具有兩個(gè)波，前高后低 4 比 1。假如曲線(xiàn)的振蕩頻率很快，先把其微分調(diào)下來(lái)。其曲線(xiàn)的偏離和回復(fù)很慢，積分時(shí)間可以往下調(diào)節(jié)。因曲線(xiàn)振蕩頻繁，比例的度盤(pán)放大。 PID 參數(shù)整定口訣： 參數(shù) 整定尋最佳，從小往大順序找。 公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。比如一個(gè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間 60s，即可以用 PI，也可以用 PID，效果都還可以，但是本系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間很短。 本系統(tǒng)適合應(yīng)用 PI 整定，因?yàn)?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(chǎng)合， PID 適應(yīng)滯后嚴(yán)重的場(chǎng)合。 KD 增加有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度 ,使超調(diào)量減少 ,穩(wěn)定性也得到增加 ,但減弱對(duì)干擾的抑制能力。但很大的 KP 會(huì)使系統(tǒng)有很大的超調(diào)量 ,并發(fā)生振蕩現(xiàn)象會(huì)使穩(wěn)定性變的很差。例如，一臺(tái)全自動(dòng)洗衣機(jī)可以辨別衣服是否洗干凈的反 饋，可以在反饋后做出切斷電源的動(dòng)作，它就是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。例如人就像一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有負(fù)反饋的特點(diǎn)，眼睛作為傳感器，第 3 章 電路參數(shù)計(jì)算及控制器設(shè)計(jì) 18 充當(dāng)反饋，人可以根據(jù)負(fù)反饋?zhàn)龀稣_的決定。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱(chēng)為負(fù)反饋 ( Negative Feedback)，若極性相同，則稱(chēng)為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱(chēng)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度 ,邊觀察系統(tǒng)的運(yùn)行 ,邊修改參數(shù) ,直到滿(mǎn)意為止。所以對(duì)于電壓環(huán)而言，相當(dāng)于一個(gè)比例環(huán)節(jié)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)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。2，電壓 閉環(huán)控制系統(tǒng)，以斜率補(bǔ)償，這使得電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的峰值 。3 平均電壓的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較高的控制精度。 然而根據(jù)文獻(xiàn) [24]，平均電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)具有用于峰值電壓的閉環(huán)控制系電壓放大器統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1，平均電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有高增益，可以更準(zhǔn)確地跟蹤當(dāng)前設(shè)定值 。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(guò)開(kāi)關(guān)管作為反饋，電壓控制回路的輸出信號(hào)，開(kāi)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) 。所以本課題采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)電壓電流來(lái) Boost_flyback 變換器進(jìn)行控制。 控制器設(shè)計(jì) 控制器的應(yīng)用背景 在實(shí)際應(yīng)用中，如果 Boost_flyback 變換器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，就不能對(duì)能量傳輸進(jìn)行控制，只要出現(xiàn)了擾動(dòng)就會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至不安全隱患，因此必須對(duì)Boost_flyback 變換器進(jìn)行閉環(huán)控制。 Boost 電路二極管設(shè)計(jì) 其承受最大反向電壓為 Boost 電路的輸出電壓和 MOS 管一樣，為 66V，電流為Boost 電路的最大電流： 5201 0 0m a x ??? inVPI (315) 設(shè)其最大反向電壓為 100V，最大電流為 10A。 電感值計(jì)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。 *1 6 0 010*102RT4C 6 ??? (313) 電容值取得越大濾波效果越好，在實(shí)際電路中 取值 220uf。 R=U*U/P,將 U=400， P=100 代入得到電阻R=1600。 濾波電容參數(shù)設(shè)計(jì) 在次 級(jí) Boost 變換器和次級(jí) Flyback 變換器有相同的電壓和電流，由于輸出的電壓紋波的有限制條件，為了確保輸出電壓的穩(wěn)定。 選擇 MOS 管時(shí)，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(kāi)關(guān)管品牌。當(dāng)輸入最小，輸出為最大， MOS管關(guān)斷時(shí)， MOS 管兩端的電壓最高。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候， MOS 管中沒(méi)有電流通過(guò)。 )()1()1( 1)()1( 111)1(1)1(11212222111212eseLeDDeLiorrDNNRDrrrrRDDNNDKDDNNVV???????????????? (31) iDDVVVK 21?? (32) 在忽略等效電阻的情況下： )1(1 12DDNNVViO ??? (33) 設(shè)最大占空比為 ，最小輸入 20V，最大輸出 400V 代入上式，得匝數(shù)比 n=7。 第 3 章 電路參數(shù)計(jì)算及控制器設(shè)計(jì) 14 第 3 章 電路參數(shù)計(jì)算及控制器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求： 設(shè)計(jì)單開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率： 100kHz 短路能力 ： 輸出短路時(shí)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(guò)壓和欠壓保護(hù)