【正文】 真驗證為了驗證所選方案的正確性和可行性，針對本文中設計的電路結構與控制策略，采用Matlab仿真軟件中的Simulink工具進行了仿真研究。圖28 直流升壓電路恒阻抗模式控制策略如圖28為恒定阻抗模式下的控制電路，其作用原理與恒流模式基本相同，區(qū)別之處在于此處的參考電流不再是定值，而是由電源電壓采樣值與期望等效阻抗值Ro相除的結果，其他電路原理及參數(shù)與恒流模式完全相同，不再贅述。其中PID參數(shù)的設定主要是依據(jù)輸出的電流電壓波形進行調整，通過Kp、Ki參數(shù)優(yōu)化輸出的靜態(tài)特性和響應時間。此時整個系統(tǒng)的結構和參數(shù)基本確定下來。綜合以上的分析和計算，最終確定參數(shù)如下：（恒阻抗、恒功率模式下要小些），電容C1為1200μF，電容C2為1μF。電感L2用來限制輸出電壓（電流）的紋波的，需要滿足： 其中為輸出電流波動幅度（?。?，所以得到。但是這是恒流模式下的要求，恒阻抗、恒功率控制模式下電感要小一些。電感L1需要滿足兩個條件：即使輸入電流連續(xù)和滿足電壓泵升要求。參考電流的大小由升壓時開關管占空比確定為一個范圍。這些參數(shù)的選取都要比較適中，因為恒電流模式要求電流比較穩(wěn)定，恒阻抗模式要求電流跟蹤電壓的變化，而恒功率模式卻要求電流變化趨勢與電壓相反，這些都是由一套電路參數(shù)得到的，故選值時須兼顧三種情況做出比較合理的判斷。 電容儲能型Cuk電路整體分析與仿真驗證 電路設計參數(shù)分析本系統(tǒng)采用電容儲能型Cuk電路實現(xiàn)直流升壓功能，電路如圖24所示，此處將電源設置成一個有效值為48V的三相全橋整流電路整流得到直流源，其頻率為300Hz，最大波動幅度上下20%，此處用于模擬一種不理想的電源情況，來驗證三種負載工作模式的功能。(CP)控制：期望功率P/電源即時電壓U為即時參考電流，實測電流與之相比，通過PID控制器，控制開關管開通關斷。(CC)控制：通過實測電流與期望電流比較形成差值，通過PID控制器，控制開關器件通關斷調節(jié)電流。圖25恒流控制電路圖圖25為以直流升壓斬波電路作為示例的簡單控制模型，采用輸入電流作為采樣控制對象，與期望電流對比再經過一個PID環(huán)節(jié)對MOSFET的占空比進行控制，從而通過一個閉環(huán)負反饋系統(tǒng)將電流控制在期望的范圍。具體控制結構就是在電源輸入側對直接或間接控制對象進行采樣，然后與目標量對比，偏差通過PID控制器及其它處理最后形成開關管的控制信號通過占空比的調節(jié)將被控量控制在一定范圍之內。本系統(tǒng)輸入電源為48V帶177。 閉環(huán)反饋采用PID環(huán)節(jié)由于3種負載模式本質上都是維持某種參數(shù)恒定，所以不難想到采用帶有負反饋的閉環(huán)控制，為了使整個反饋系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，調整時間和超調量符合要求，考慮在負反饋回環(huán)引入PID環(huán)節(jié)。 直流升壓電路控制策略的設計本系統(tǒng)要實現(xiàn)3種負載模式：恒定電流模式、恒定電阻模式、以及恒定功率模式。表21四種DCDC升壓電路性能對比拓撲類型電路復雜程度損耗大小電路控制輸出電流品質推挽電路Boost直流升壓斬波電路較復雜簡單大中兩個開關管交替導通一個開關管控制輸入差中中間抽頭電感直流升壓電路較復雜大一個開關管控制輸入較差電容儲能型Cuk變換器復雜小兩個開關管分別控制輸入輸出較好表21清晰地展示了電容儲能型Cuk電路除了具有電路比較復雜，升壓比較低的缺點之外其他各項特性都勝過其他類型的直流升壓電路拓撲，比較適合本次設計的系統(tǒng)的要求，所以確定采用電容儲能型Cuk電路作為直流電子負載的前級電路，用于實現(xiàn)升壓變換和負載控制功能。本次系統(tǒng)設計中可以充分利用此電路的諸多優(yōu)點，并針對本次設計要求加以改進，即前級MOSFET用于控制輸入電流，后級MOSFET用于控制輸出電壓，這樣就可以在實現(xiàn)不同電流下的負載模式控制的同時保證輸出電壓穩(wěn)定在期望的母線電壓，二者相互獨立控制互不影響，控制方法的細節(jié)將在下一章詳細敘述。電容儲能型Cuk電路除了上述零電壓開通關斷減小損耗的優(yōu)點以外，還具有電流紋波小、輸出電壓穩(wěn)定等等諸多優(yōu)點，而且兩個開關管合作能夠滿足一定的的升壓比，在電路結構上滿足直流升壓的要求。MOSFET2的零電壓導通是通過根據(jù)MOSFET1延遲一段時間再導通的規(guī)律來獲得，但是此時MOSFET1的導通不具有零損耗的特點。當MOSFET1關斷后，其端點電壓為0。此外MOSFET2的寄生電容和附加的緩沖電容C2以實現(xiàn)這個開關管的零電壓關斷，有效的減小了開關損耗。這種電路結構的功能實現(xiàn)要求MOSFET1的占空比要大于等于MOSFET2的占空比。此時由C1上的充放電平衡得： 這里是MOSFET1的占空比，是MOSFET2的占空比，和分別是輸入輸出電流平均值。傳統(tǒng)Cuk電路（沒有MOSFETVD2）的輸入輸出電壓關系是： 這里是開關管MOSFET1的占空比，為電路輸出電壓。 電容儲能型Cuk電路拓撲分析圖24 電容儲能型Cuk電路普通Cuk變換器的優(yōu)點是輸入電流與輸出電流紋波比較小，而且通過輸入和輸出的電感耦合，可以達到零紋波和體積小型化的效果。此電路用多一個電感和互感作用使升壓比提高到普通Boost升壓斬波電路的1+ND倍，解決了電源電壓低輸出電壓要求高時升壓比不夠的問題。 中間抽頭電感的DCDC升壓變換器拓撲分析圖23中間抽頭電感的DCDC升壓變換器中間抽頭電感的DCDC升壓變換器，如圖23所示，為普通Boost直流升壓斬波電路的改進電路，其周期規(guī)律和作用原理與前者相似，引入耦合電感是為了利用互感原理使電路的升壓比增大。此電路由于只用到一個開關管，電路損耗得到降低，系統(tǒng)效率比較高，到目前為止依然廣泛被應用。設開關管一個周期內導通時間為，關斷時間為則在電路穩(wěn)定時一個周期內電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即 化簡得 其中，為開關管的占空比，公式即Boost直流升壓斬波電路的升壓公式，其升壓原理主要是靠電感L儲能之后具有的電壓泵升作用和電容C對輸出電壓的保持作用。該電路工作原理比較簡單，當開關管導通時，電源E電壓為，向電感L充電，充電電流基本恒定，設為，同時電容C上的電壓向負載R供電。最重要的是，由于兩個開關管不能同時導通，并且必須留有死區(qū)時間，這就導致電源E的輸出電流必然存在斷續(xù)，這點不能滿足本次設計中直流側恒電流模式控制的要求，所以本拓撲不適用于本次直流能饋型電子負載的設計。但是，此拓撲也有很多缺點和不足，如變壓器中的漏感及寄生電容等引起電壓與電流的高頻振蕩，存在偏磁問題，會造成功率器件的高電壓、電流應力，常常會對電源本身及周圍連接設備帶來安全隱患，同時也會增大開關損耗導致變壓器效率的降低。公式為推挽電路的升壓比公式。如果兩個開關管同時導通，就相當于變壓器一次繞組短路，因此這種情況應該避免，即要求每個開關管占空比不大于50%，而且需要留有死區(qū)時間。開關管導通時電感L上的電流逐漸上升，兩個開關管都關斷時電感L上的電流逐漸變小。當一個開關管導通時，其所對應的二極管導通，當兩個開關管都關斷時，兩個二極管都導通。 推挽電路拓撲分析圖21推挽電路拓撲圖21所示為推挽電路拓撲，推挽電路是帶隔離直流升壓電路的一種典型拓撲，用于功率等級在幾百瓦到一千瓦和升壓比要求比較高的場合。直接直流升壓電路拓撲主要包括普通Boost直流升壓斬波電路極其衍生電路、BuckBoost電路、Cuk電路等等；間接直流升壓電路主要包括正激電路、反激電路、推挽電路等等。直流升壓是為了將48V直流電壓升至V（電網(wǎng)正弦電壓峰值）以上的一個恒定值，如本系統(tǒng)額定的350V；三種負載模式控制即達到模擬不同負載特性的電源放電測試的目的。第四章首先將兩級電路連接，分析其工作原理并進行全系統(tǒng)的仿真驗證，確保三種負載模式、并網(wǎng)電流低諧波、功率輸送的實現(xiàn)和正確性；并在此基礎上對于整個電路的宏觀理解和電路元器件參數(shù)設置、控制參數(shù)設置對系統(tǒng)影響做出更深入的探討和研究。 本文主要研究內容本文總體上完成直流能饋型電子負載系統(tǒng)的設計、分析、驗證工作，并將討論的問題和完成的工作分成以下幾個部分：第二章首先對幾種常用前級DCDC直流升壓電路拓撲對比分析選出一個最優(yōu)結構采用作為系統(tǒng)的直流升壓電路；其次明確升壓電路在三種負載模式下的控制策略；最后將電路與控制方法結合進行詳細的理論和仿真分析，前級電路得到確立。此外還要考慮對于濾波器的學習和設計，參數(shù)的計算和選擇，以及并網(wǎng)變壓器的選用，使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相的同時提高品質，減少諧波。圖14 設想的一種負載模擬控制策略圖14為設想的以直流升壓斬波電路作為示例的控制模型[18]，采用輸入電流Iin作為采樣控制對象，與期望電流Iref對比再經過一個PID環(huán)節(jié)對開關管的占空比進行控制，從而通過一個閉環(huán)負反饋系統(tǒng)將電流控制在期望的范圍。 負載工作模式的實現(xiàn)本系統(tǒng)要實現(xiàn)3種負載模式：恒定電流模式、恒定電阻模式、以及恒定功率模式。通過綜合考慮升壓比、電路穩(wěn)定性與損耗、硬件實現(xiàn)難易、控制方法難易等等諸多因素選擇一個最佳的拓撲。20%波動幅度的直流電壓，這個波動產生的原因有可能是該電源由三相全橋整流電路整流而得到的脈動直流源，控制時考慮加入一個閉環(huán)負反饋控制削弱電源擾動的影響，同時系統(tǒng)濾波的帶寬應至少不小于300Hz。其中本次主要研究直流升壓（負載的不同工作模式）部分。 工程實現(xiàn)與產品現(xiàn)狀在工程實現(xiàn)上，直流電子負載的研究已取得了一些成果，也有一些成熟的產品，并且開始在電源的試驗中獲得應用，如北京索英電氣有限公司的電能反饋式直流電子負載。單相橋式全控逆變電路輸出的PWM波還需經過一個濾波環(huán)節(jié)和一個變壓器實現(xiàn)并網(wǎng)。圖13為空軍工程大學工程學院學者設計的一款航空電子負載[15]，比較好的展現(xiàn)出負載模式控制的硬件結構。從工程實現(xiàn)來說，往往采用一塊芯片作為整個電路采樣、運算和驅動控制的核心。 各種負載特性的研究現(xiàn)狀從控制策略來說，一般應用比較多的是將電流作為參考控制量，利用系統(tǒng)即時參量的采樣值經過一定運算與參考電流比較，經過一個PI環(huán)節(jié)反饋控制電力電子器件開通的占空比，從而達到控制不同負載特性的目的，這也是比較傳統(tǒng)和普遍的方式。圖12一種新型Cuk變換器與此同時許多國內學者也探究出了一些新的直流升壓電路結構[13]，反映出一些不同的特色特點。近二十年國內外學者提出了很多改進的拓撲結構，如Gupta[10]提出將多個直流電源串聯(lián)來獲得較高的輸入電壓；Edson Adriano[11]提出了采用一種新型直流變換器進行升壓，具體采用Cuk變換器實現(xiàn)對輸入電流的控制，實現(xiàn)對實際負載的模擬；這種結構沿襲了他本人1996年的設計，他曾經提出過一種新型Cuk變換器拓撲[12]，采用電容儲能的Cuk變換器，其結構如圖12所示。這種電路拓撲的優(yōu)點是結構簡單可靠，控制方法簡單，缺點是升壓比有限，且開關頻率增大時損耗也變大。這兩部分在國內外學術研究和工程領域已經取得了很多成果。直流能饋型電子負載主要由兩部分組成：直流升壓（DCDC）部分和逆變并網(wǎng)（DCAC）部分[8]，如圖11所示。這種電子負載已經慢慢被淘汰，取而代之的是帶有并網(wǎng)逆變器的能量回饋型電子負載[7]，這也是近年來主要研究開發(fā)的趨勢。所以本次要設計一種直流能饋型電子負載，不僅能夠滿足不同類型電源的各種性能檢測，達到一定的精度，而且還能將本要浪費的能量回饋給電網(wǎng)，同時嚴格滿足幅值，相位，頻率等要求，從而對電子負載的研究學習更進一步。 研究意義目前已經有一些電子負載產品開始代替?zhèn)鹘y(tǒng)負載進行電源性能實驗，如可靠性試驗（老化放電試驗）、輸出特性試驗等等，有些產品也已經達到了比較好的性能[6]。(3)變換器輸出直流電壓