开关电源是一种电力电子设备,广泛应用于电网中,其非线性和低功率因数特性导致电网谐波电流的增加,从而对电网造成严重污染。本文重点介绍了开关电源的小信号建模以及优化方法,包括建立数学模型的过程、模型仿真、参数优化以及实验分析。作者胡德洪是湖北襄阳人,拥有本科学历和副教授职称,研究方向为电工电子及计算机类教学及管理。
在建模方面,开关电源作为一个复杂的时变系统,建立准确的数学模型非常困难。文章提出建立模型的假设条件,如开关频率远高于扰动信号频率,扰动信号大小足够小。基于这些假设,小信号模型的建立采用了电流注入的方法,将电路的线性和非线性部分分开考虑。开关状态的切换会导致电路结构变化,这种变化可以通过一个电感L与三端器件来表示。电流控制环由电流误差放大器、PWM比较器和功率级组成,而电压环由电压误差放大器和升压级组成。针对电流环和电压环的开环传递函数,分别得到了幅频和相频特性。
为优化电压和电流环的补偿网络,采用了非线性优化方法。利用MATLAB软件中的优化工具箱配置合适的零极点,以提高系统性能。电流环的稳定性能由穿越频率决定,实验表明,当穿越频率设置为开关频率的1/6时,可以保证电流环稳定运行。电压环的稳定性能则需要通过调整补偿电压误差放大器的低频段增益来确保。
文章还探讨了双环制环补偿网络的参数优化问题。研究表明,通过在电压环中补偿加入一个极点可以有效减小输出电压中的二次谐波成分,从而减少纹波电压。设计变量包括电阻和电容值的确定,目标函数的构建则是基于线纹波电压增益最小化。目标函数中线纹波角频率的取值为200πrad/s,通过MATLAB编程求解设计变量,以达到优化目标。
从模型仿真和实验两个方面对模型进行了优化分析。仿真和实验结果表明,优化后的系统性能有了显著提升,这符合“绿色电源”的发展趋势。本文的研究对于开关电源的优化设计和电网的谐波污染治理具有重要的实践意义。