基于MATLAB的车载逆变电源的设计与仿真.pdf

吕念芝，等：基于MATLAB的车载逆变电源的设计与仿真收稿日期：2023-04-15作者简介：吕念芝（1980），女，副教授，硕士，研究方向：嵌入式系统.基金项目：福建省教育厅中青年教师教育科研项目“基于多传感器数据融合的智能家居安防系统研究”（JAT200939）.第 38 卷第 2 期2024 年 4 月白 城 师 范 学 院 学 报Journal of Baicheng Normal UniversityApr.Vol.382024No.2基于MATLAB的车载逆变电源的设计与仿真吕念芝1，王志鹏2，蓝丽金1（1.福州大学至诚学院 电气工程系，福建 福州 350001；2.福州理工学院 计算与信息科学学院，福建 福州 350001）摘要：随着时代的发展，汽车已成为人们生活中必备的交通工具.在汽车的配置中，人们会使用车载冰箱、笔记本电脑等设备.这些设备的供电要求是220 V/50 Hz的交流电源，但是普通汽车只能够提供12 V的直流电源.因此，一款匹配的车载逆变电源就显得尤为重要.通过PID控制的单极性SPWM调制技术，结合两级式变换电路，设计一款车载逆变电源.该电源可将12 V直流电变换成220 V/50 Hz的交流电.利用MATLAB软件对该系统的结构及控制策略进行模拟仿真，仿真测试数据表明，该车载逆变电源符合设计指标.关键词：逆变电源；两级式变换电路；SPWM；PID中图分类号：TM464文献标志码：A文章编号：1673-3118（2024）02-0048-100引言随着时代的发展，汽车逐渐成为每个家庭的出行工具，不同的电子设备也应用到汽车中.而电子设备使用需要的电源电压是220 V交流电.普通家用汽车的电源电压是12 V直流电，无法满足大量用电需求.因此，为了满足车上220 V交流电压的需求，需要设计一款能把电压为12 V的直流电变为220 V/50 Hz交流电的设备.车载逆变电源越来越受车主的欢迎.针对目前市场上车载逆变电源存在效率低、噪声大的缺点，许多学者着手研究两级式逆变电源.袁素红1利用两级式结构设计了一款功率为3103W的逆变电源，其逆变电源在前级变换器中运用软开关技术，降低开关损耗.周玉生2设计了一款功率同样是3103W的逆变电源，其逆变环节采用滑模控制，用于提高逆变电源系统的鲁棒性和动态特性.湛柏明等3利用两级式变换电路结构设计了功率为1103W的车载逆变电源，系统的后级DC/AC采用全桥逆变电路与PI重复控制的复合控制策略.吴武林等4设计了两级式中高功率的逆变电源，其将24 V的直流电转换为220 V/50 Hz交流电.虽然上述学者研究的两级式逆变电路的功率效率较高，但是主要应用对象是中大功率逆变电源，而小功率逆变电源研究较少.小功率逆变电源有着便携和效率高的特点，给人们的出行生活带来了极大的便利5.针对如何提高小功率逆变电源的效率，本文设计了一款车载逆变电源.该逆变电源功率为150 W，采用两级变换电路结构：第一级电路实现直流升压的目的，把蓄电池的直流电压由12 V提升到230 V；第二级电路实吕念芝，等：基于MATLAB的车载逆变电源的设计与仿真第2期现逆变，把电压为230 V的直流电逆变为220 V/50 Hz的交流电.通过仿真验证了该电路结构可以提高小功率逆变电源的效率.1总体结构设计本文设计的车载逆变电源的技术参数如表1所示.表1逆变电源技术参数名称输入直流电压/V输出电压/频率（交流）额定输出功率/W转换效率/%总谐波失真THD/%参数1015220 V/50 Hz150805在该逆变电源设计中，需要将12 V的直流电压转换成220 V的交流电压.具体实现电路采用两级式变换电路，此电路是近年来应用较为广泛的变换电路6.前级通过高频变压器将输入的DC12 V直流电压提升到DC230 V左右的直流高压.电路中变压器采用高频变压器，这样可以提高车内蓄电池的利用率，有效节省蓄电池的电能.直流高压经过后一级逆变器，高压直流电变换成低压交流电，再经过滤波电路连接负载.两级式车载逆变电源的结构如图1所示.图1车载逆变电源的结构图2逆变电源主要电路设计逆变电源的主要电路分为四大模块：前级推挽升压电路、后级H桥逆变电路、滤波器和控制电路.2.1前级推挽升压电路前级推挽升压电路由推挽逆变器、全桥整流器和滤波器7组成.推挽升压电路原理如图2所示.图2推挽升压电路原理图推挽逆变器是一种将直流电转换成交流电的工作电路，是目前应用较为广泛和简便的一种逆变器，49白城师范学院学报第38卷由方波发生器、两个MOS管和高频变压器组成.在推挽逆变电路中，方波信号发生器产生的脉冲控制两个相同的MOS管进行推挽逆变工作.两个MOS管以推挽的方式工作于电路中，各自负责正负半周期波形的脉冲8.当其中一个MOS管流过的电流增加时，另一个MOS管流过的电流则会减少，反之亦然.因此，两个MOS管的工作状态总是对称的.当电流经过MOS管后接的变压器低压绕组时，会与变压器另一侧发生感应，从而得到交流电，完成直流到交流的转换.在本电路中，两个MOS管的相位是反向工作的，也就是说，相位的输出和输入的方向相反9.用这种不同的、相对的工作模式可以得到更高的输出功率.开关管和高频变压器是推挽逆变电路中的核心器件.开关管工作频率为20103Hz，需要计算其承受的最大电压和电流；变压器在电路中起到电气隔离和能量的传输与转换的作用，在前级推挽升压电路中，高频变压器的作用十分重要，它的参数直接决定了整个逆变器的质量与效率.2.1.1高频变压器参数的计算由已知开关管的开关频率f=20103Hz、占空比D=0.5，可以得到高电平持续的时间T：T=Df=25 10-6s.（1）假设本设计中变压器选择的是PQ3230，材质选择PC40.则PQ3230的磁芯尺寸如表2所示.表2PQ3230的磁芯尺寸名称电感系数AL/H磁通摆幅B/T磁芯有效截面面积Ae/mm2磁芯有效磁路长度Le/mm磁芯有效体积Ve/mm3磁芯的窗口面积Aw/mm2参数4 55010-90.316174.612 011111.11变压器原边匝数N1计算公式：N1=Vin-max T2B Ae=15 25 10-62 0.3 161 10-6 3.88.（2）其中Vin-max=15 V时，N1取整数，故变压器原边匝数N1=4.变压器副边接滤波电容后的输出高压Vout-DC=230 V，为了满足输入电压Vin-min=10 V时推挽逆变器也能正常工作.因此，原边与副边的匝数比n为n=2301012D=23.（3）副边匝数N2为N2=N1 n=92.（4）原边线圈电感系数L1计算公式为L1=N12 AL=16 4 550 10-9 0.73 10-4H.（5）励磁电流ID-max计算公式为50吕念芝，等：基于MATLAB的车载逆变电源的设计与仿真第2期ID-max=Vout-DCn 2fL1=23023 2 20 1030.73 10-4 3.42 A.（6）设备功率P=150 W，则输入端峰值电流Iin-pk为Iin-pk=PVin-min2D+ID-max=18.42 A.（7）2.1.2开关管电压电流峰值的计算对于MOS管的参数主要是计算开关断开时最大电压和开关导通时最大电流.当输入最大功率时，MOS管流入的电流最大，则Iin-pk-max计算公式为Iin-pk-max=PVin-min 0.92D+ID-max 20.09 A.（8）在设计中，假设安全系数约为1.3，其中Vin-max=15 V时，开关管的最大电压Vmax为Vmax=1.3 2 Vin-max=39 V.（9）2.2后级逆变电路后级逆变电路可分为两个部分：H桥驱动电路和LC低通滤波器10.前级升压电路产生的高压直流电在经过具有PID控制的SPWM调制的H桥驱动电路后，再经过逆变滤波后转变为理想的220 V/50 Hz的生活可用交流电11.后级逆变电路原理如图3所示.图3后级逆变电路原理图2.3控制电路模块控制电路模块主要由输出电压采集、参照电压、SPWM生成器和PID控制器组成.本设计中设置的参照电压为220 V，经过反馈电路后得到的最终输出电压信号有效值偏差在5%以内，输出电压频率偏差小于0.2 Hz，即符合设计要求.2.3.1SPWM调制方法在取样控制理论中，有一条重要的结论：形状不同、冲量相同的脉冲，其功能和效果大致相同.所谓的冲量，就是脉冲的面积，冲量的有效面积与需要输出波形的面积基本相等.通过对它们的频谱分析，可以看出它们的低频特征很类似，只是在高频部分会有细微的差别.如图4（a）、图4（b）和图4（c）所示，但如果它们的有效冲量都是1，则它们在某个环节上的作用是一样的，而脉冲波形越窄，它们的相似性也就越大.在窄脉冲变成了图4（d）中的单元脉冲函数f(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数.51白城师范学院学报第38卷（a）长方形脉冲波形（b）三角形脉冲波形（c）正弦脉冲波形（d）直脉冲波形图4形状不同、冲量相同的各种脉冲基于上述结论，用一系列的等效脉冲波形取代一个正弦波形，正弦波分为若干个波形，把它们看作若干个相等的脉冲.虽然它们的宽度一样，中点相等，但是他们的振幅却不同.因此，SPWM波形与正弦波基本等价.利用SPWM波形替代正弦半波原理如图5所示.图5SPWM波替代正弦半波原理图由图5可知，要改变等效正弦波的输出幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可得到SPWM.只要按照一定的规律调整脉冲宽度，就可以调整逆变器的输出电压和频率.2.3.2PID控制在系统控制中，采用比例控制器对系统的偏差进行控制，并在误差发生时使其误差降低.但是，控制器累积误差会随系统运行时间的延长而增大.所以，一般在引入了比例控制后，还会引入积分控制，实现对系统稳定误差的控制，从而达到消除稳态误差的目的.积分控制器会设置一个参考值，且参考值的大小随着系统的工作时间而不断增加，通过对比参考值，可以将系统累计的偏差逐渐减小甚至消除.因此，比例和积分控制可以有效地减小系统的稳态误差，使系统正常工作12-13.在本设计控制系统中，采用的控制算法是位置式PI控制.系统的偏差量e(t)为52吕念芝，等：基于MATLAB的车载逆变电源的设计与仿真第2期e(t)=r(t)-c(t).（10）其中：r(t)为系统的设定参考值；c(t)为系统的实际输出值.PI控制计算公式为u(t)=kP e(t)+1Tte(t)dt =kPe(t)+kPTte(t)dt.（11）其中：kP为比例系数；kPTt为积分系数.2.4LC滤波器设计逆变后的波形包含高次谐波，要使输出为标准正弦波需要加入LC滤波电路.因为电容在电路里面是与负载并联，电感与负载串联，则高次谐波分量大部分分布在电感两端.当滤波电路中的电感数值和电容数值相差较大时，可以较好地滤除高次谐波.根据本电路中单极性SPWM波的频率fc=20103Hz，输出交流信号的频率f=50 Hz，可以求出开关管的极限开关频率fs为fs=fc f=1 000 Hz.（12）当电感中纹波电流在输出电压等于输入电压一半的时候达到最大.在输出电流纹波电流最大时，假设对应的输出功率为标准功率，输出纹波电流为正常电流的50%，则可以计算出电感纹波电流Iwb-max为Iwb-max=0.5 2 PVout=0.5 2 150220=0.482 A.（13）其中：P=150 W；Vout=220 V.因此，滤波电感L和电容C的数值分别为L=Vout-DC4 fc Iwb-max=2304 20 103 0.482 0.006 H，（14）C=1(2fs)2 L1(2 3.14 1 000)2 0.006 4.2 10-6F.（15）3电路仿真和实验结果基于MATLAB软件的车载逆变电源的两级电路仿真电路如图6所示.图6车载逆变电源的主电路仿真图53白城师范学院学报第38卷由于需要观察整个电路的性能参数与各级输入/输出信号的波形及参数，因此，放置了各测量模块和示波器模块，整个逆变电源的仿真电路如图7所示.图7车载逆变电源的整体仿真电路图3.1第一级逆变仿真结果通过前一级的推挽型逆变电路，12 V的DC电压被转换成12 V的AC电压.推挽后稳定输出的交流电压Vout-AC1波形如图8所示.图8推挽逆变后稳定的交流电压Vout-AC1波形图由图8可知，经过前级推挽逆变电路后，逆变器的交流电压波形良好，数值在12 V左右稳定，符合设计要求.推挽式电路逆变后的波形将通过高频变压器升压，将电压从12 V左右提高到240 V左右的交流电压Vout-AC2，Vout-AC2波形如图9所示.最后通过滤波电路，得到输出直流电压Vout-DC=230 V，直流电压Vout-DC波形如图10所示.54吕念芝，等：基于MATLAB的车载逆变电源的设计与仿真第2期图9高频变压器升压后稳定的电压Vout-AC2波形图图10整流后直流电压Vout-DC波形图3.2SPWM调制结果SPWM 输出 4 路控制信号，这四路控制信号分别为G1，G2，G3和G4，控制 H 桥中的两组 MOS 管.G1，G2，G3和G4波形图如图11所示.从图11中可以看出，G1和G3控制一组MOS管，G2和G4控制另一组MOS管.图11SPWM模块输出的四路控制信号波形图3.3第二级逆变电路仿真结果前级升压电路得到的230 V直流电压经过后级H桥逆变电路，SPWM正弦波脉冲调制后，电路输出包含高次谐波的类正弦波电压Vout-AC3，其波形如图12所示.正弦波电压Vout-AC3信号经过LC低通滤波器，55白城师范学院学报第38卷滤掉Vout-AC3波形中的高次谐波.最后，在负载两端得到较为理想的220 V/50 Hz正弦波交流电的电压Vout，其波形如图13所示.图12H桥逆变后交流电压Vout-AC3波形图图13经过滤波后的正弦交流电压Vout波形图由图13可知，本文所设计的车载逆变器最终输出波形是较为标准的正弦波，且波形的最大值在310 V左右，有效值220 V左右，满足系统的设计要求.3.4PI控制误差结果系统的误差在比例控制P的调节下，误差很快降低到0.4左右，此时系统出现稳态误差.积分控制I会将比例控制后每次累积的误差进行积分运算，当误差结果累积到一定值时，对积分误差进行消除.最后，系统的误差进一步减小，稳定在0.2左右.系统误差结果如图14所示.图14PI控制误差结果56吕念芝，等：基于MATLAB的车载逆变电源的设计与仿真第2期4结语本文应用MATLAB软件对车载逆变电源进行了系统设计.电路结构采用目前应用较广的两级式转换电路，其电路由前级推挽升压电路和后级驱动电路组成.通过MATLAB软件中Simulink提供的仿真环境，验证了两级电路参数及控制参数的正确性.仿真结果证明，设计性能在软件仿真上达到了预期结果.参考文献：1袁素红.车载逆变电源设计 D.北京：北京交通大学，2020：11-22.2周玉生.3 kW车载高频逆变电源的研究与设计 D.芜湖：安徽工程大学，2023：1-10.3湛柏明，黄照，黄海波，等.车载逆变电源的开发 J.湖北汽车工业学院学报，2023，37（3）：22-26.4吴武林，王卫华，李艳，等.车载逆变电源的硬件系统设计与仿真 J.湖北汽车工业学院学报，2022，36（2）：24-30.5魏伟.正弦波逆变电源的研究现状与发展趋势 J.电气技术，2008（11）：5-7.6王树文，纪延超，马文川.新型单相逆变电源及其调制方式的研究 J.中国电机工程学报，2006（17）：62-66.7张志川，曾思通.一种小功率车载逆变电源的设计 J.机电技术，2017（4）：46-47.8于长存.基于LTCC工艺小型化DC/DC变换器的设计与实现 D.北京：中国科学院大学，2018：30-35.9童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第5版）M.北京：清华大学出版社，2017：440-442.10程意博，冯德仁，刁鸿鹄，等.单相纯正弦波逆变电源设计 J.常州工学院学报，2020，33（4）：31-35.11郭志成，任晓芳，朱东山.基于单片机的车载逆变电源设计 J.中国建材科技，2019，28（2）：86-87.12阮新波，等.LCL型并网逆变器的控制技术 M.北京：科学出版社，2015：334.13余平，项鑫，高菲.弱电网下并网逆变器基于PI和PR控制技术对比研究 J.新型工业化，2018，8（2）：24-34.Design and simulation of on-board inverterpower supply based on MATLABLV Nian-zhi1，WANG Zhi-peng2，LAN Li-jin1（1.Department of Electrical Engineering，Fuzhou University Zhicheng College，Fuzhou 350001，China；2.Faculty of Computing and Science，Fuzhou Institute of Technology，Fuzhou 350001，China）Abstract：With the development of the times，automobiles have become an essential means of transportation in people s lives.In automobiles，people use devices such as on-board refrigerators，laptops，etc.The powerrequirement for these devices is 220 V/50 Hz AC，but the average car can only provide 12 V DC.Therefore，amatching on-board inverter power supply is particularly important.In this paper，a vehicle-mounted inverterpower supply is designed by using the PID-controlled unipolar SPWM modulation technology combined withthe two-stage conversion structure circuit.The power supply converts a DC voltage of 12 V into an AC powersupply of 220 V/50 Hz.The structure and control strategy of the system were simulated by MATLAB simulationsoftware，and the simulation test data showed that the on-board inverter power supply met the design indicators.Key words：inverter power supply；two-stage conversion circuit；SPWM；PID（责任编辑：许慧）57