开关电源的小信号建模及优化

胡德洪

摘要：随着电子技术的发展，电网中接入大量的电力电子设备，而电力电子设备的核心部件开关电源，其自身具有非常显著的非线性与低功率因数，这会给电网带来较大的谐波电流，进而对电网造成严重污染。本文基于MATLAB仿真软件建立补偿网络下的电压、电流环模型，在对模型进行优化时充分利用非线性优化法，模型优化后的结果表明系统性能得到了提高。

关键词：开关电源;双环控制;MATLAB;优化

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0174-03

0 引言

由于開关电源自身具有较强的非线性与低功率因数的特点，制约了其广泛的使用。近年来，随着“绿色电源”的提出，开关电源的治理谐波、提高功率因数的方法越来越受到重视，成为国内外发展的朝阳产业。

本文采用有源功率因数校正技术的结构图，采用非线性优化方法对电压环和电流环补偿网络优化，由整流电路、DC/DC变换电路、输出滤波电路和控制电路组成。

传统的开关电源的电流含有大量谐波成分，将给电网性能带来各种影响。为了消除上述谐波对电网的影响，另外添加谐波补偿装置，整流部分与滤波部分之间加入一级直流/直流变换，通过精细化的反馈控制，不仅可以有效抑制谐波，还可以提高功率因数和电能的综合利用率。附合“绿色电源”的发展思想。采用MATLAB建立小信号模型仿真，减小了传统电路中电压环和电流环的设计和调试工作，利用MATLAB软件中的优化工具箱配置合适的零极点。本文将从模型仿真和实验两个方面对模型进行优化分析。

1 建立小信号模型

开关电源本身是一个复杂的时变系统，建立准确地数学模型是很困难的。因此模型的建立将引入以下假设：（1）开关频率要远远大于扰动信号频率的设置;（2）扰动信号的大小要尽可能的小。

小信号模型的建立将通过电流注入的方法实现：电路中的线性和非线性部分分开考虑，随着开关状态的切换，电路结构也随之发生着变化，用一个电感L与三端器件表示。

电流控制环的由电流误差放大器、PWM比较器、功率级组成，如图1所示。

3 模型的仿真分析

基于MATLAB/Simulink搭建出500W 升压型开关电源电路的仿真模型。分析仿真结果，图3加入APFC前，电流波形与正弦电压的变化没有步调一致，谐波成分含量较多，一系列的脉冲波出现在电压峰值附近，较低的功率因数也出现此刻。电路的功率因数接近1。并且在输出端得到低纹波得直流输出。

4 实验

在仿真基础上绘制了实验电路图。测得输入端电压和电流波形，如图4所示。

从实验得到的波形分析，加入APFC电路后，电流波形能跟踪输入电压的变化，优化后电路有效地提高了功率因数、减小了谐波含量，功率因数达到0.996。

5 结语

采用非线性优化方法对电压环和电流环补偿网络的参数进行优化，很好的减小了谐波电流，提高了功率因数，系统性能得到了提高。

参考文献

[1] 任凌，王志强，李思洋.有源功率因数校正技术及发展趋势[J].电源技术应用，2005，8（7）：54-57.

[2] 张占松，蔡选三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3] 周志敏，周继海，纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[4] 马暖，胡彦奎.单级BOOST型APFC电路控制方法的研究及仿真[J].自动化与仪器仪表，2011（5）：33-35.

[5] 姚建红，张红艳，李冬梅，等.基于UC3854的Boost型APFC电路优化设计[J].电力电子技术，2009，43（7）：11-12.