MATLAB在电力电子仿真中的应用

摘要：本文通过一个对FB—ZVS—PWM变换器进行仿真的例子，介绍了MATLAB在研究电压型软开关中的应用，叙述了模型的建立过程，给出了仿真结果。展示了MATLAB在电力电子仿真中的应用前景。 叙词：零电压型软开关，仿真，FB—ZVS—PWM变换器 Abstract： This paper introduces application of MATLAB in studied ZVS by a example of FB—ZVS—PWM converter. The paper depicts the process for built model and supplies consequence of simulation. Prospect of MATLAB for power electric simulation is shown. Keyword：ZVS, Simulation, FB—ZVS—PWM Converter

1　引言

　　目前，电力电子技术发展迅猛，直流开关电源应用广泛。为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量，必须实现功率器件的软开关；因此，软开关技术得到了广泛的关注。应用计算机仿真来研究电力电子装置，有利于提高研究效率，降低研发成本。本文给出了一个用MATLAB对FB—ZVS—PWM变换器进行仿真的实例，重点在于电压型软开关的研究。本例的工程背景为大功率电源，因其功率大，要求开关频率高，故综合考虑决定采用电压型软开关。在对比目前比较流行的仿真软件Pspice和MATLAB后，发现MATLAB更适合电力电子仿真，因其库提供了大量电力电子器件模块。

2　FB—ZVS—PWM变换器的理论电路和基本原理

　　众所周知，所谓移相控制ZVS PWM是指变换器的功率器件用移相脉冲驱动，并且通过谐振电路实现功率器件的零电压开通和关断。仿真电路如图1：

图1　FB—ZVS—PWM 变换器
　　移相脉冲如图2：

图2 移相脉冲
　　实现软开通的条件为，Q1、Q3和Q2、Q4间的死区时间均应大于电容与电感组成的谐振电路中相应并联电容电压下降到零（使其反并联的二极管导通）的时间。实现软关断主要是通过功率器件的并联电容（两端电压不能突变）来实现。通常并联电容值越大越利于实现软关断；但是根据滞后桥臂实现ZVS的条件，即谐振电感Lr中的能量必须大于滞后桥臂中的谐振电容及结电容的能量；谐振电容值的增大势必带来谐振电感Lr值的增大；这样在整个变换器中 Lr分压将加大，降低了变压器两端的电压，不利于带载。因此需要综合考虑谐振电容和谐振电感的值。

3　用MATLAB实现仿真

　　用计算机仿真来帮助研究电力电子装置的优势在于方便进行不同器件参数的比较，可以十分快捷的调整器件参数反复试验。MATLAB提供的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散时间域或者两者的混合时间域里进行建模，它同样支持具有多种采样速率的系统。本例用MATLAB 6.0进行仿真。MATLAB 6.0对应的Simulink版本是4.0；其中的Power System Blockset工具箱提供了IGBT等功率器件模块，本例的功率器件使用IGBT。

3.1　MATLAB中的IGBT模块

　　IGBT模块如下图3：

图3　IGBT模块
　　其中g端为逻辑触发端，靠逻辑1触发来导通IGBT；C,E分别对应实际的IGBT的集电极和发射极；m端为观测端，输出由流过IGBT的电流和两端电压组成的向量，可用Demux模块将其分解为单个变量；通常不用时，接Terminator（电气终止）模块，以消除未连接端口警告。另外，需要注意很多开关器件在MATLAB中等效为电流源，不能直接与电感串联；通常可将其与电阻并联，再与电感串联。
　　IGBT模块的内部框图如图4：

图4　IGBT模块的内部框图
　　其中Conduction Logic单元的内部框图如图5：

图5　Conduction Logic单元的内部框图

3.2 本例的MATLAB实现

　　本例在MATLAB下的仿真模型如图6：

图6 模型框图
　　模型中用示波器观察一个IGBT和二极管中流过的电流和两端的电压以及其触发信号。IGBT模块的导通电感取nH数量级；其缓冲电阻取为无穷大，缓冲电容取为零；其电流上升时间和下降时间取为us数量级。IGBT的并联谐振电容用串联电阻、电感、电容模块来实现，电感值可设为零，电容值为理论计算的谐振电容值，但此时电阻值若取为零，则仿真时会报错，可将电阻值设为非常小的值（如千分之一）以解决上述问题。二极管模块的导通电感值要取得非常小。若以上参数选择得不当，IGBT和续流二极管中的电流会有强烈的震荡现象，严重时两端电压也会出现强烈的震荡现象。整流桥（Universal Bridge）模块中的二极管的缓冲电阻不能设为无穷大以消除缓冲电阻；可将缓冲电阻值取得很大，缓冲电容值取为无穷大。在仿真过程中，要注意选择合适的算法，不同的算法对同一模型的计算时间及结果有时有很大差别；同时，适当减小绝对容差和相对容差（在变步长算法中）可加快仿真。通常对电力电子仿真中大量存在非线性环节，算法ode15比较适用。

图7 仿真结果
　　从中可以看到IGBT的反并联二极管对IGBT零电压开通的作用，当某一IGBT关断，其所在桥臂的两个电容与谐振电感发生谐振，另一IGBT反并联的二极管两端电压过零，二极管自然导通起到续流作用，此时这个IGBT两端电压被钳滞为零，实现零电压开通。IGBT的零电压关断主要靠其并联的电容（电容两端电压不能突变），使其电压缓慢上升。

4　　结束语

　　MATLAB 6.X提供的电力电子器件库，为进行电力电子仿真带来了很多方便，可以仿真出二极管两端电压过零时，其自动导通续流过程，可用于软开关的研究。本文建立的FB—ZVS—PWM变换器模型，仿真出了电压型软开关的开关过程，能用来研究谐振电容和谐振电感以及其它器件的电气参数。