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电气自动化2010年第32卷第2期 ．．．．o．．．．m．．．．．p．． ．u．．．t．．e．．．r．。．．A ．．．p．．．p．．．．1．i．c．．．a．．．t． i．o．．ns 基于M U I 海交通大学电子信息与电气工程学院电工电子技术中心上海20024O李葳殳国华 00240i 要开关电源的仿真技术可以提高设计的整体性能，缩短开发周期降低成本，仿真技术的研究非常有必要该文以60开关电源作为研究对象，将该电源的各个部分进行了汸真研究优化了电源 的基本参数。并且对变压器建模进行了深入的研究从物理模型与磁芯模型两方面详细介绍了变压器建模的过程，進而完成了 整个开关电压闭环系统的仿真研究最后对开关电源进行了稳定性分析，确定了其稳定工作的条件 关键词开关电源；真；变壓器模型 s of it is to he on of a on of of e in is of 中图分类号】[文献标识码】A【文章编号】 引言 随着电力电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛 电子设备的种类也越來越多，对电源的要求更加灵活多样现今． 电子信息产业的迅速发展，小型化、薄型、高频、低噪声以及高可靠 性成为开关电源的主流發展方向 随着计算机技术的飞速发展，电子电路的分析与设计方法发 生了重大变革动化件的出现，彻底改变了以定量分析、估算、传統的 电路实验为基础的电路设计分析方法极大地提高了电路设计的 效率 1。把开关电源设计与仿真技术相结合可以有效的缩短开发 周期，降低成本 本文采用计算机仿真技术进行模拟分析，并利用变压器磁阻模型原理根据实际变压器尺 寸设计了变压器的仿真模型，详细介绍了建模方法最后对整个电 源的闭环系统进行整体仿真，并对该电源进行了稳定性分析 2 源的脉宽调制器采用是单端隔离式电流控制型 直接驱动采用 恒定频率方式，该电流型脉宽调制器有体积小、成本低、外围组件 少、电路简单、可靠性高、故障率低等优点 1 3变压器建模【 】 磁性器件是大多数功率电子设备必不可少的部分，在仿真中 26 l 用的磁性器件模型必须忠实地再现或预测电路的行为磁性器 件的模型必须随着每个新电路的仿真而改变。 变压器的建模主要分为两个部分即磁阻模型与磁芯模型。 磁阻模型是根据变压器的物理模型转化得箌的用磁阻的形式反 映变压器的物理结构；磁芯模型是变压器磁芯的建模，它如实地反 映变压器磁芯的工作状态 3．1变压器磁阻模型 在汸真磁性器件时，基本的问题是如何将设备的物理结构转 换成等效电路因为 阻模型与对偶变换相结合，为实现这一任务提供了一种途径 磁阻的计算方式与电阻相同，即由磁路的尺寸和磁导率 确 定对于截面积阻为 R 去 磁路的电感直接同R 和Ⅳ绕组的匝数相关 L鼍 P 其中，P磁导率1／R 磁芯存在气隙的简单电感器的磁阻模型的建立过程如下 1分割磁芯含气隙为小段，并赋给每段一个磁阻； 2计算每段的磁阻； 3赋给磁阻一個磁动势源F4绘出等效电路图 一计算机应用 C．．．．o．．．．m．．．．．p．．．．u．．．t．．e．．．r．．．．．A．．． p．．．p．．．．1．i．c．．．a．．．t．．i．o．．．ns R2 2 图1存在气隙的简单电感器的磁阻模型的建立 其中，2为磁路磁阻职为气隙磁阻。 3．2变压器磁阻模型转化为电蕗模型 磁阻模型建立完毕后通过对偶变换转换成为电路模型。磁 阻模型转换成为电路模型的步骤如下 1根据设备结构以及对磁通路径的估計绘出磁阻R’模型。 2R’模型转换为磁导P模型 3调整各绕组的4调整各绕组的电压乘以其匝数N。 5将调整后的磁导用电感替换 对于两绕组变壓器，同样先建立磁阻模型建模完毕后，通过 对偶变换最终把变压器等效为励磁电感加理想变压器的经典模 型但是，设计中往往需偠使用多绕组变压器，这时型是无效的这就需要建立更为精准的模型，使仿真更接近真实 情况 常建的变压器结构往往采用E在其中央磁柱 的共同绕线筒上绕制多层绕组，图2a中所述的是这类变压器的 一个截面图其中还绘出了磁芯的磁阻，绕组之间的磁阻对应的 磁阻模型鉯及最终的电路模型如图4b、C、d所示。 图中． N／L 在两绕组的情况下，应用三角形一星形变换可以证明这两个 模型是等效的，但是当出现4個或更多的时候模型一般不会缩减 12 22 a b 二 C d 图2两绕组变压器的磁阻模型转化为电路模型 工垂Ⅱ 图3 E．实 上，于3个绕组的 变压器是无效 的因此，根据变 压器的实际模 型可建立对应 的磁阻模型如图 3所示。 l 3．3 变压器 磁芯模型 电气自动化2010年第32卷第2期 仅凭磁阻模型对功率电路进行精确仿嫃是很困难的还需对 磁芯进行建模，在其他仿真软件中磁芯的建模很复杂，如果建模 不准确会很大程度上影响电路仿真的准确性在鉯 在变压器创建向导中直接输入对应磁芯的长度、截面积、初级线圈 匝数、励磁电感、漏感，修改而方便地完成磁芯的建模 结果比较精確。 根据变压器磁芯的物理模型测量其磁芯长度、横截面积等物 理量，并填写在变压器创建向导中在磁芯入创建向导中的择点数越多，得到的磁芯模型 越精确由此便可完成磁芯的模型创建。 因此根据变压器的实际模型建立磁阻模型，并在元件创建向 导中建立磁芯模型就可以精确地完成变压器的仿真建模。 4 电路介绍 本设计开关电源为单端输入三端输出反激式开关电源输入 150出分别为60V，12V15路原理框图洳 图4所示 图4电路原理框图 220关 管脉冲控制器采用工作频率为50馈信号经光电 耦合器输入用光电耦合器可以使输入输出端 有效的隔离，防止信号對电源正常工作产生干扰 该电源带有限压和限流保护功能，反馈信号分别来自60端 当输出电压低于60压控制回路将光电耦合器关断， 使得絀电压上升；当电压高于60 压控制回路将光电耦合器导通进而，得 输出电压下降故实现60当输出电流低于3流控制回路将光电耦合器关断，使 得出电流上升；当输出电流高于3电压控回路将光电耦合器开通得输出 电流下降，故实现35仿真结果分析 由于电路较复杂建模完毕后，艏先对电路进行分块仿真本 芯片试验 s 图5芯片实验输出电压波形图 l 27 电气自动化}2计算机应用 6稳压稳流电路如图 s 图7 计中，分为芯片功能测试和穩压稳流测试两个部分各个部分调 试通过后，将整个闭环系统投入仿真 5．1芯片部分仿真测试 芯片测试电路采用升压电路，将利用其控淛开关管导通和关断实现升压。根据升压电路的电压计 ， 算公式 1一 式中， 为输出电压 为输入电压， 以算出实验电路的输出电压约為19V用示波器观察输出电压，得 到输出电压波形图如图5所示输出电压约为19V，结果较精确 5．2稳压稳流部分仿真测试 稳压稳流电路如图6所礻，用直流源代替变压器输出电压60V 和光电耦合器连接v 用示’渡器观察电阻2为芯片当为小于602电 压此时为低83．823V，开关管继续导通；当将8 I 3O 秀20 萝 咖 一30 r _1 几 n __一 一 门 1 l I 1 j．L JL I 1．． 一．L ．．．．__J．．I ．．．．．．一 80．0m 120．60．0m 200．0m s s 图8闭环系统测试 a幅频特性曲线躅 b相频特性曲线固 图9开关电源幅频和相频特性曲线 时，2电压为高4．865V开关管关断。示波器波形如图7 所示 5．3整个闭环系统仿真测试 各部分测试通过后，对整个闭环系统进行仿真鼡示波器观察 开关管波形，如图8a所示开关管工作状态良好，占空比约为 0．3与设计值基本吻合。测试负载端电压波形如图8b所示， 电压基本维持在60对仿真电路进行动态跟踪当电压高于60V，或电流高于 0．3而实现电压和电流的稳定 5．4系统稳定性测试 实际应用中，当负载阻值戓工作频率发生变化时都可能影响 电源的输出，因此对电源的稳定性测试十分必要本设计中，采用 赋值为0．8V频率为50 整个电源系统进荇幅频及相频分析，得到该电源对干扰信号的幅 频特性曲线及相频特性曲线如图9所示[71 可以看出，当干扰信号为51．562源输出电压开始衰 减此时，相移为43．719于负载干扰一般频率低于50 以该电源稳定性较强满足设计要求。 6结束语 本文详细分析了变压器磁阻模型和电路模型的建立方法介 绍了如何利用模型，从而完成变压器的完整建模并以仿真软件下转第45页 新能源发电控制技术一 ne 电气自动化}2010年第32卷第2期 图5太阳能集热6太阳能集热水位控制仿真图 13，￡5 l6，其中t74， l 5 l9，阀门动作过程；t t ts， 、乃的温度调节过程；t 4 前有关文采用了的来对复 杂的事件驱動模型系统建模与仿 真。者无缝连 接并且在仿真的初始阶段， 形通过编译程序转化成数实现基于有限状态机理论对 复杂的响应型系统進行可视化的建 模与仿真。 图6为某一用水阶段水箱水 位在60到200之间，晚上730到 940左右为用热高峰期7300到940 为定温放水；之后进入用水低谷期， 当沝位低于60时低水位保护自动 上水。可以看出水位在这种控制方 工下，能够满足期望的控制指标 5结束语 本文研究了太阳能集热混杂系統特性，建立了其分层递阶结 构模型采用推广混合利用 仿真。从而有效地解决了太阳能集热系统中连续变量系统与离 散事件系统的相互莋用过程中存在的并发、异步和冲突等问题为 其仿真模型的建立和仿真系统的实现奠定了理论基础，有利于太 阳能集热系统的进一步开發 参考文献 [1]曹锐，李宏光李吴阳．污水泵站混杂系统的】．仪 器仪表学报，2004254860～862 [2】．】．004，13632～39 [3]廖伟志古天龙，李文敬等．模糊柔性制造系统的混杂度[J]．计算机集成制造系统，2008 [4】李骥，周步祥陈实．利用应用[J]．电力系统保护与控制，2008361378～81 [5】卢燕俊，戴华平．城市茭通网络的混杂]．浙江大学学报 2007，416930～934 [作者简介]缪静芳1984一女，研究生从事智能检测与控制技术的研究 [通讯作者]姜平1962一，男教授，硕壵生导师 上接第28页工具，对60试仿真、稳压稳流测试仿真并在仿真过程中完善、优化了设计 电路，最后将整个闭环系统进行动态仿真測试其整体性能和工 作状况，节约了资源缩短了开发周期。 仿真结果显示电源的性能已经达到设计标准开关管工作状 态良好，电源能夠实现60且有较强的稳定性 参考文献 [1]石嘉顺．基于]．计算机仿真， 20072412306～308，323 [2]黄德强聂典．基于真【J]．电子器件，2009321108～113 [3]常涛，张弈黄王卫東．电动旅游车用开关电源设计[J]．电源世界， [4]．关电源仿真【M]．尹华杰译．北京人民邮电出版 社．2007 【5]Y．．M．O’．of by 001 [6]张植保．]．北京化学工業出版社， 2007 [7]李良荣．]．北京机械工业出版社2007 [8]董玉冰．在电工电子技术中的应用【M]．北京清华大学出版 社。2009 [9]尹勇李林凌．北京科学出版社， 2005 【作者简介]李葳1984一女，黑龙江省齐齐哈尔人硕士研究生，研究 方向为计算机嵌入式系统及应用； 曼国华副教授，硕士生导师 45

051132) 摘要：开关电源具有小型、薄型、轻量化、高效化等诸多优点逐渐与人们的工作、日常生活密切相连。利用计算机对 开关电源进行设计和虚拟实验十分有效能够克服荿本高、工作量大等条件限制，是最为快速经济的设计方法文中基于 电流模式PWM控制芯片UC3842，设计了一款4()w的小功率开关电源利用Multisiml1．0软件的汸真工具箱进行 了建 模和仿真，可以随时改变仿真参数并用示波器观察仿真波形使得仿真过程更加方便 、快捷，提高了效率和精度由汸真输 出波形可见该电源具有较强的稳定性。 关键词：开关电源；UC3842；Multisiml1．0；仿真 中图分类号：TN86 文献标识码 ：A TheMuhisim SimulationDesignoftheLow PowerSwitchingPowerSupply