车载逆变电源的Saber与Simulink联合仿真

引言

汽车早已进入大众家庭，而现在已变成了集娱乐功能为一体的交通工具。而要具有娱乐功能，汽车上的各种电器需要电源供电。普通的汽车电源是12 V蓄电池，而常用电气设备主要使用220 V、50 Hz交流电。因此需要将直流电逆变成交流电。常见的逆变电源的结构，都是先通过高频变压器升压成高压直流，再通过桥式逆变为工频交流电。电路仿真软件主要有Spice，Matlab／Simulink，Saber等，各个软件都有其自身的特点。Matlab／Simulink在控制系统仿真方面具有优势，并且提供了很多的控制工具箱；而Saber软件具有精确的硬件元器件模型库，能为仿真带来更精确的结果，同时其在开关电源仿真上收敛性很好，仿真结果分析查看工具很强大，后续处理很优秀。本文针对车载逆变电源的特点，利用saber与Matlab／Simulink联合仿真，对车载逆变电源进行了系统级的仿真研究，得到了特性很好的220 V、50 Hz的交流电。

1 Saber软件的特点

1．1 Saber概述

Saber模拟及混合信号仿真软件是美国Synopsys公司的一款EDA软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是惟一的多技术、多领域的系统仿真产品。Sabet软件广泛应用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统。它不仅适合于元件级仿真，也适合于系统级仿真。Saber在电源设计中的特点主要是具有30 000多种元器件，包括电源专用器件和功率电子器件，提供高精度的电路仿真模型单元库；三种变压器模型设计，有效地解决了变压器的设计问题；同时Saber顺序使用五种强大算法，有效控制开关电源电路的仿真收敛性能；且saber利用其获有专利的Calaveras算法来获得最佳性能，在大型系统的仿真上，时间较Matlab／Simulink短很多。由于通过单一的混合信号仿真内核提高了仿真速度并提供精确有效的仿真结果；同时Saber带有与其它仿真软件结合的混合仿真接口，可以结合其它仿真软件的优点方便、高效、准确的来实现系统的设计。

1．2 SaberScope图形化波形分析器

Saber自带的SaberScope图形化波形分析器，功能强大，可以进行波形的各种计算分析。它可以快速并形象化地将反映设计性能的50种测量结果标注到图形上；能保存图形的原始数据，并再现图形；具有独特的波形计算器，可以将信号管理器中的信号选择到波形计算器的寄存器中，并对波形进行各种运算。

2 Matlab／Simulink软件的特点

Matlab是美国Mathworks公司出品的商业数学软件，主要包括Matlab和Simulink两大部分。Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink适合于系统级的仿真，没有精确模型的元器件库，不适合进行元件级的仿真。但Simulink具有强大的控制系统仿真能力，适合于各种控制系统的仿真设计。对于无法或不容易利用元器件进行搭建的控制算法，可以利用Simulink中的各种系统工具进行搭建。并且可以得到良好的效果。

3 车载逆变电源的仿真设计

3．1 车载逆变电源的设计方案

本文车载逆变电源的设计主要分两级，前级使用直流升压电路，将12 VDC升高到350 VDC左右，后级将高压直流进行逆变，得到220 V，50 Hz的交流电。前级利用高频变压器将直流升压，这样可以减小变压器体积，提高系统的功率密度。前级采用推挽电路设计，只需2个功率开关器件。变压器副边使用桥式整流电路，得到高压直流。桥式电路后面是一个三阶π型低通滤波器，得到平滑直流，减小纹波。后级逆变电路采用全桥逆变，可以控制谐波含量。最后通过一个巴特沃斯低通滤波器，获取工频交流。

3．2 车载逆变电源的硬件设计

车载逆变电源主要的硬件在于功率开关器件的选取。在Saber仿真环境中，前级DC升压主电路应选取低压大电流的开关器件，耐压要大于2．6倍的蓄电池电压，选取IRF1010EZ，其额定电流84 A，最大耐压60 V。逆变电路则相反，应选取高压小电流的功率开关管，本文选择IRFP460，500 V耐压，额定电流20 A。高频变压器选择TDK PC40EER42-Z磁芯，初级2匝，次级80匝，工作频率50 kHz。由于变压器工作在高开关频率下，副边整流二极管需要使用快恢复二极管MUR1660CT，其额定电流8 A，需几十纳秒的反向恢复时间。交流滤波电路选择巴特沃斯低通滤波器，截止频率是基波频率的2倍，为100 Hz，则由巴特沃斯滤波器设计特性可以计算出L=225 mH，C=22．5μF。

高压直流端需要进行低通滤波处理，在此选择三阶π型低通滤波器。对于高压直流端滤波，首先将频率进行归一化处理，取的电感L=91.9 mH，C=1．1μF；此外直流高压端的电容选取要符合一定的要求，即在前级电路不工作时，电容上的电压仍然能维持12 ms的交流输出，同时大电容可以维持高压直流，使其不会出现大的波动。因此需要加上一个大电容，作为前级DC／DC升压电路断电后的电源。由电容能量公式公式，功率P为500W，并且在12 ms内电压降为稳定电压的90％，计算出C=850μF，取标准电容值820μF。

3．3 车载逆变电源的仿真实验

该设计的原理图中前级使用推挽电路，连接到变压器上，再通过整流，滤波，逆变得到交流电。反馈回路上通过接口模块voltage to var，将输出的电压反馈回去。而MOS管的驱动则是使用var to voltage接口模块，将变量转换成电气量，应用到电路中去作为控制脉冲。

仿真原理图是在Saber中搭建的。其中模块Inverter_cosim是Saber与Simulink接口模块，负责Saber与Simulink之间的数据传输。该模块共有6个输出接口，1个输入接口。输入接口为负载实时电压，检测电压进行实时反馈。输出接口中，2个用于控制推挽电路的开关管的导通，调整占空比；其余4个用于控制逆变电路的功率管的导通，实现逆变。

Inverter_cosim模块中即是实现Matlab／Simulink控制功能的，相当于“子系统”一样，将控制模块封装起来，然后留出输入／输出接口，用于与整个系统交换数据。Inverter_cosim模块按如下方法得到：

(1)打开Saber软件主界面的SaberSimulink Cosimulation Tool；

(2)选择File→Import Simulink，选择控制系统的Model文件即．mdl文件；

(3)选择Model文件之后，Cosim Tool自动检测并留出联合仿真模块的输入／输出；

(4)本例设置联合仿真步长为1μs，系统自动生成symbol文件即．ai_sym文件；

(5)将symbol文件放入仿真原理图中，连接好即可进行仿真。

在原理图连接好以后，即可进行暂态分析，仿真调用Inverter_cosim模块的过程如下：首先Saber进行网络表生成，然后进行暂态仿真，此时Saber会打开Matlab／Simulink，并将Simulink中的模型文件打开，调用Simulink，最后整个系统进行仿真，通过Inverter_cosim模块进行数据传输，实现两者的联合仿真。

3．3．1 控制系统方框图

控制系统方框图如图1所示。

图1的控制系统图是在Matlab／Simulink中搭建的，通过SaberCosim模块实现与Saber的数据交换。在Saber软件主界面中，有一个Saber Simulink Cosimulation Tool，点击之后，选择File→install Cosim files，选择与Simulink相对应的版本，安装得到SaberCosim．mdl模型，打开这个模型，即可得到SaberCosim功能块。将其拖入到Sireulink的模型文件中，并设置输入信号数为6，输出信号数为1，其信号的输入／输出正好与仿真原理图中的Inverter_cosim模块相反。

3．3．2 推挽控制原理图

它的控制过程是通过反馈回的电压与锯齿波进行比较得到一系列占空比可调的方波。该控制过程具有死区控制和输出强制关断等功能。锯齿波频率为50 kHz，幅值为5 V。若DTC死区控制输入电压为0 V，则由于已经有0．1 V的偏置电压，则最大占空比为98％。其中Q1，Q2为具有死区的互补输出。如图2所示。

反馈控制中使用比例环节，由于占空比只能在0～98％的范围内变化，所以该系统控制回路在前向通道上有一个限幅环节，这个非线性环节将会影响系统反应的快慢，因此在控制上要考虑到这个非线性环节。

3．3．3 逆变控制原理图

逆变电路采用双极性调制，调制比为0．9，调制波为50 Hz正弦波，载波频率为10 kHz。其中桥式电路对角开关同时导通、关断，即1，4开关管同信号，2．3开关管同信号，其门极和漏极驱动电压为15 V。如图3所示。

3．4 仿真买验结果

Saber可以进行交流小信号分析、暂态分析、零极点分析、应力分析等。本例可直接做暂态分析。仿真时间400ms，仿真步长1μs。仿真时间需要22 min。而使用Matlab／Simulink搭建同样一个系统，在同样的误差和相同的时间内，利用变步长算法仿真只仿真了190μs。由此可见Saber在开关电源仿真方面比Matlab／Simulink具有极大的优势，大大缩短了仿真时间。图4是仿真波形结果，负载电压近似正弦波。Matl ab／Simulink对波形进行的处理，Saber都可以做到，并且其波形计算器还可以对波形进行更多的后续处理。利用Saber的傅里叶分析也可以得到其谐波含量等数据。图4为仿真实验结果，上半图为高压直流端电压的实时波形，下半图为负载电压正弦波波形。从图中可以看出高压直流波形进入稳态后维持在300 V，负载交流电压有效值在219 V，频率50 Hz，波形良好。

4 结语

本文对车载逆变电源的仿真数据进行了分析，得出以下结论：由于Saber自身的仿真算法先进，大大缩短了系统仿真时间，这是Matlab／Simulink所无法比拟的。该系统的搭建充分利用了Matlab／Simulink控制系统仿真的优点和Saber仿真库硬件模型精确的优点，使得系统搭建简单高效。