因數(shù)校正電路的Matlab電路仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6036因數(shù)校正電路的Matlab電路仿真分析案例 1227541.1整流電路仿真 1322691.2功率因數(shù)校正電路的開環(huán)仿真及分析 370391.3基于雙閉環(huán)控制的功率因數(shù)校正電路仿真分析 79591.3.1雙閉環(huán)控制電路的仿真 748411.3.2雙閉環(huán)控制的單相功率因數(shù)校正系統(tǒng)的仿真 91.1整流電路仿真本文選擇的是單相橋式不可控整流電路，在MATLAB中搭建仿真模型，如圖1.1所示，采用的是4個二極管來進行整流，電路的左邊是220V降壓之后的交流電壓，右側則是整流的電壓，其中電感的作用是穩(wěn)壓和濾波，使得電阻上得到的直流電壓穩(wěn)定。圖1.1不可控整流電路仿真模型整流電路的輸入交流電壓是變壓器二次側的降壓電壓，如圖1.2所示圖1.2整流電路的輸入交流電壓波形理論上整流出的電壓應該是如圖1.3所示的直流電壓波形圖1.3理論得出的整流直流電壓但是實際情況中，整流電路之后還會有其他的電路以及一系列的負載，而且負載的大小不同會影響直流電壓的波形，接下來將會分別取40Ω的電阻和200Ω電阻測試，觀察直流電壓的變化。測試使用的仿真模型是圖1.6的開環(huán)電路模型首先是系統(tǒng)帶40Ω的電阻，得出的整流電壓如圖1.4所示，再是帶200Ω，得出的整流電壓波形如圖1.5所示。圖1.4帶40Ω電阻得到的整流電壓波形圖1.5帶200Ω電阻得到的整流電壓波形通過上述電壓波形的對比，可以發(fā)現(xiàn)，負載大小的不同，整流出的直流電壓大小也不同，帶40Ω電阻的時候，電路的負載重，得到的直流電壓波動大，不穩(wěn)定，諧波含量大，毛刺多。而帶200Ω電阻的時候，電路的負載較輕，得到的直流電壓更穩(wěn)定，波動小。說明負載的輕重會影響整流電路整流出的直流電壓波形。1.2功率因數(shù)校正電路的開環(huán)仿真及分析使用MATLAB/SIMULINK仿真軟件搭建傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制下的Buck型功率因數(shù)校正電路，通過仿真測試，觀察、驗證傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制電路對Buck型PFC功率因數(shù)校正的能力、特性，以及雙閉環(huán)控制之下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性。開環(huán)情況下的Buck型功率因數(shù)校正電路的仿真搭建模型如圖1.6所示，電路主要是由交流電源、變壓器、不可控整流橋部分和Buck型降壓電路組成。為了更加貼合本文研究內(nèi)容，主電路參數(shù)選取220V、50Hz交流電源作為輸入電源、經(jīng)過變壓器變?yōu)闈M足要求的交流電，電感為2H，電容為1μF、期望輸出電壓為48V。圖1.6主電路開環(huán)仿真模型圖1.6中的主電路處于開環(huán)狀態(tài)，開環(huán)仿真的目的是驗證主電路仿真模型搭建的正確性，以及分析一下在不加入控制的情況下，Buck型PFC電路的性能如何。負載R為20Ω時，輸入電壓和電流的波形見圖1.7（a）和（b），圖1.8是輸出電壓的波形。圖1.7（a）輸入電流波形圖1.7（b）輸入電壓波圖1.8輸出電壓波形開關管上施加的控制信號占空比是0.8，輸出電壓和輸入電壓有效值大致上符合Buck電路的輸入和輸出關系，實際仿真與理論有偏差，原因是整流出的直流電存在波動，整流部分之后的電感和Buck電路中的電感會產(chǎn)生電壓，開關管也會分壓，導致了輸入電壓乘以占空比理論得出的輸出電壓值大于實際輸出電壓值，所以，若想是輸出電壓是48V，則可以改變變壓器的變比，增大二次側的電壓。接下來研究負載突變時，輸出電壓的變化。圖1.9所示的是負載突變的仿真電路圖。圖1.9負載突變仿真模型負載突變時，輸入電流的波形和輸入電壓的波形如圖1.10（a）、（b）所示，輸出電壓波形如圖1.11所示。圖1.10（a）負載突變輸入電流波形圖1.10（b）負載突變輸入電壓波形圖1.11負載突變輸出電壓波形在t=0.2s時，負載R從40Ω突變到20Ω，在t=0.6s時（到達穩(wěn)定狀態(tài)后），負載R從20Ω突變回到40Ω。上述的仿真波形主要是驗證仿真模型搭建的正確性，雖然開環(huán)系統(tǒng)下占空比一定時電路呈現(xiàn)出了很好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性，但是在實際應用的時候并不是理想狀態(tài)，外部因素會影響給定的占空比，使其無法一直保持恒定值，使得系統(tǒng)偏離正常運行，開環(huán)系統(tǒng)無法做出有效的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的偏差會越來越大，因此就要對功率因數(shù)校正電路施加合適的控制策略構成閉環(huán)系統(tǒng)，以此來保證系統(tǒng)發(fā)生偏差時也能自動恢復正常運行。1.3基于雙閉環(huán)控制的功率因數(shù)校正電路仿真分析圖1.12雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型如圖1.12所示，校正電路采用電壓電流雙閉環(huán)控制的功率因數(shù)校正的仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主電路和雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成，主電路由交流電源，變壓器、不可控整流橋以及Buck降壓電路組成，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)則是由內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓控制組成。雙閉環(huán)控制由電流控制器、電壓控制器、乘法器、載波發(fā)生器、PWM信號比較器以及驅(qū)動器等組成。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是把電感電流和輸出電壓當作反饋信號，采用PI調(diào)節(jié)器來作為電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。實際應用時電壓調(diào)節(jié)器需要限制電感電流的最大值以保證其安全性，我們一般是通過設置幅值最大值的方法限制的。但是分析雙閉環(huán)性能的時候，系統(tǒng)會控制彈出電壓調(diào)節(jié)器，這時不考慮電感電流的最大值限制。1.3.1雙閉環(huán)控制電路的仿真、圖1.13雙閉環(huán)控制電路圖1.12中下半部分的即是由PI控制器、乘法器等元器件構成的雙閉環(huán)控制電路，如圖1.13所示，該電路的作用是對采樣得到的電壓和電流進行運算控制然后，與載波比較到得一個脈沖控制信號去控制MOSFET管子的開通和關斷，進而到達功率因數(shù)校正的目的。接下來圖1.14和圖1.15會分別顯示內(nèi)外環(huán)的波形，圖1.16會顯示得到的控制脈沖波形。圖1.14內(nèi)部電流環(huán)波形圖1.15外部電壓環(huán)波形圖1.16控制脈沖信號1.3.2雙閉環(huán)控制的單相功率因數(shù)校正系統(tǒng)的仿真利用試湊法，經(jīng)過多次實驗仿真，獲得了一組比較適合負載R為200Ω的PI參數(shù)，其中內(nèi)環(huán)參數(shù)是Kpi=1.3，Ku=400，外環(huán)參數(shù)是圖1.17（a）雙閉環(huán)控制的功率因數(shù)校正電路的輸入電流波形圖1.17（b）雙閉環(huán)控制的功率因數(shù)校正電路的輸入電壓波形圖1.18雙閉環(huán)控制的功率因數(shù)校正電路的輸出電壓波形如上圖所示，系統(tǒng)上電以后，功率開關管的控制信號占空比比較大，接近于1，電感電流迅速增加，電容充電，輸出電壓開始上升，快速上升的電感電流到達峰值的之后又開始下降，這時給電感充電的電流逐漸減小導致輸出電壓上升的速度變慢，隨后出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，電容隨著電感電流的下降開始放電，使得輸出電壓逐漸回歸穩(wěn)態(tài)。這一過程都是由內(nèi)外環(huán)的兩個PI調(diào)節(jié)器控制的，輸出電壓超調(diào)2.1V，啟動時間大約是0.15s，基本符合實際需求。但是對于PI調(diào)節(jié)器，有一個缺點，系統(tǒng)帶不同的負載雙閉環(huán)控制電路有著不同的控制效果，系統(tǒng)的輸出響應也有區(qū)別，很可能導致系統(tǒng)的啟動時間或者輸出電壓的超調(diào)發(fā)生變化，系統(tǒng)的帶載能力也會受影響。圖1.19（a）、（b）分別是系統(tǒng)帶40Ω負載的輸入電流、電壓波形圖，圖1.19（c）是系統(tǒng)帶40Ω負載的輸出電壓波形圖。圖1.20（a）、（b）分別是系統(tǒng)帶250Ω負載的輸入電流、電壓波形圖，圖1.20（c）則是系統(tǒng)帶250Ω負載的輸出電壓波形。表1.1記錄了系統(tǒng)帶不同負載的啟動時間和電壓超調(diào)。圖1.19（a）系統(tǒng)帶40Ω負載輸入電流波形圖1.19（b）系統(tǒng)帶40Ω負載輸入電壓波形圖1.19（c）系統(tǒng)帶40Ω負載輸出電壓波形圖1.20（a）系統(tǒng)帶250Ω時輸入電流波形圖1.20（b）系統(tǒng)帶250Ω時輸入電壓波形圖1.20（c）系統(tǒng)帶250Ω時輸出電壓波形當負載是40Ω的時候，系統(tǒng)啟動的時候輸出電壓雖然沒有超調(diào)，但是啟動時間要長于帶200Ω負載的啟動時間，說明調(diào)節(jié)器的誤差放大能力不夠，導致了調(diào)節(jié)時間長。負載是250Ω的時候，輸出電壓的啟動時間更長，雖無超調(diào)，但是輸出的直流電壓不穩(wěn)定。表1.1雙閉環(huán)控制系統(tǒng)之下不同負載啟動的數(shù)據(jù)對比負載/Ω40200250電壓超調(diào)/V02.10啟動時間/s0.40.150.6接下來研究負載突變。圖1.21所示的是負載突變的仿真模型。如圖1.22（a）、（b）是負載200Ω突變到400Ω，達到穩(wěn)定狀態(tài)后再突變回200Ω的輸入電流波形和輸入電壓波形。圖1.22（c）是輸出電壓的動態(tài)響應曲線，表1.2所示的是對應的電壓超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。在0.3s時，負載突增，因為電感的電感效應，此時的電感能量不會突變，其儲存的能量與流過的電流的平方成正比，故電流不發(fā)生突變，只能是在PI調(diào)節(jié)器的作用下緩慢升高。但是負載增大時，電流會隨之增大，故此時的補充電流只能由電容去放電來實現(xiàn)。電容的能量與電壓的平方成正比，在放點時電容兩端的電壓變小，從而使得輸出電壓變小。電感電流在PI調(diào)節(jié)器的作用下回到穩(wěn)定值之后，輸出電壓下降到最低然后開始回升，一直到期望值。0.6s時負載從400Ω突減到200Ω，電感電流在PI調(diào)節(jié)器的作用之下慢慢變小，負載需要的電流也變小，多出來的部分被電容通過充電吸收，導致了輸出電壓升高，電感電流達到新的穩(wěn)態(tài)值之后，輸出電壓上升至最高點然后回落，一直回到期望電壓。圖中曲線可以看出，由于PI調(diào)節(jié)器的滯后特性，負載發(fā)生圖此案的時候，PWM控制信號的占空比沒有立馬發(fā)生變化，而是逐漸變化的