車載逆變器（電源轉(zhuǎn)換器、Power Inverter）是一種能夠?qū)?DC12V直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的 AC220V交流電，供一般電器使用，是一種方便的車用電源轉(zhuǎn)換器。車載電源逆變器在國外市場受到普遍歡迎。在國外因汽車的普及率較高，外出工作或外出旅游即可用逆變器連接蓄電池帶動電器及各種工具工作。中國進入WTO 后，國內(nèi)市場私人交通工具越來越多，因此，車載逆變器電源作為在移動中使用的直流變交流的轉(zhuǎn)換器，會給你的生活帶來很多的方便，是一種常備的車用汽車電子裝具用品。汽車早已進入大眾家庭，而現(xiàn)在已變成了集娛樂功能為一體的交通工具。而要具有娛樂功能，汽車上的各種電器需要電源供電。普通的汽車電源是12 V蓄電池，而常用電氣設(shè)備主要使用220 V、50 Hz交流電。因此需要將直流電逆變成交流電。

? ? ?Saber概述

　　Saber模擬及混合信號仿真軟件是美國Synopsys公司的一款EDA軟件，被譽為全球最先進的系統(tǒng)仿真軟件，也是惟一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品。Sabet軟件廣泛應(yīng)用于電子、電力電子、機電一體化、機械、光電、光學(xué)、控制等不同類型系統(tǒng)。它不僅適合于元件級仿真，也適合于系統(tǒng)級仿真。Saber在電源設(shè)計中的特點主要是具有30 000多種元器件，包括電源專用器件和功率電子器件，提供高精度的電路仿真模型單元庫；三種變壓器模型設(shè)計，有效地解決了變壓器的設(shè)計問題；同時Saber順序使用五種強大算法，有效控制開關(guān)電源電路的仿真收斂性能；且saber利用其獲有專利的Calaveras算法來獲得最佳性能，在大型系統(tǒng)的仿真上，時間較Matlab／Simulink短很多。由于通過單一的混合信號仿真內(nèi)核提高了仿真速度并提供精確有效的仿真結(jié)果；同時Saber帶有與其它仿真軟件結(jié)合的混合仿真接口，可以結(jié)合其它仿真軟件的優(yōu)點方便、高效、準(zhǔn)確的來實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計。

　　Matlab/Simulink軟件的特點

　　Matlab是美國Mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，主要包括Matlab和Simulink兩大部分。Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。Simulink適合于系統(tǒng)級的仿真，沒有精確模型的元器件庫，不適合進行元件級的仿真。但Simulink具有強大的控制系統(tǒng)仿真能力，適合于各種控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計。對于無法或不容易利用元器件進行搭建的控制算法，可以利用Simulink中的各種系統(tǒng)工具進行搭建。并且可以得到良好的效果。

　車載逆變電源的設(shè)計方案

　　本文車載逆變電源的設(shè)計主要分兩級，前級使用直流升壓電路，將12 VDC升高到350 VDC左右，后級將高壓直流進行逆變，得到220 V，50 Hz的交流電。前級利用高頻變壓器將直流升壓，這樣可以減小變壓器體積，提高系統(tǒng)的功率密度。前級采用推挽電路設(shè)計，只需2個功率開關(guān)器件。變壓器副邊使用橋式整流電路，得到高壓直流。橋式電路后面是一個三階π型低通濾波器，得到平滑直流，減小紋波。后級逆變電路采用全橋逆變，可以控制諧波含量。最后通過一個巴特沃斯低通濾波器，獲取工頻交流。

　　 車載逆變電源的硬件設(shè)計

　　車載逆變電源主要的硬件在于功率開關(guān)器件的選取。在Saber仿真環(huán)境中，前級DC升壓主電路應(yīng)選取低壓大電流的開關(guān)器件，耐壓要大于2．6倍的蓄電池電壓，選取IRF1010EZ，其額定電流84 A，最大耐壓60 V。逆變電路則相反，應(yīng)選取高壓小電流的功率開關(guān)管，本文選擇IRFP460，500 V耐壓，額定電流20 A。高頻變壓器選擇TDK PC40EER42-Z磁芯，初級2匝，次級80匝，工作頻率50 kHz。由于變壓器工作在高開關(guān)頻率下，副邊整流二極管需要使用快恢復(fù)二極管MUR1660CT，其額定電流8 A，需幾十納秒的反向恢復(fù)時間。交流濾波電路選擇巴特沃斯低通濾波器，截止頻率是基波頻率的2倍，為100 Hz，則由巴特沃斯濾波器設(shè)計特性可以計算出L=225 mH，C=22．5μF。

　　高壓直流端需要進行低通濾波處理，在此選擇三階π型低通濾波器。對于高壓直流端濾波，首先將頻率進行歸一化處理，取的電感L=91.9 mH，C=1．1μF；此外直流高壓端的電容選取要符合一定的要求，即在前級電路不工作時，電容上的電壓仍然能維持12 ms的交流輸出，同時大電容可以維持高壓直流，使其不會出現(xiàn)大的波動。因此需要加上一個大電容，作為前級DC／DC升壓電路斷電后的電源。由電容能量公式公式，功率P為500W，并且在12 ms內(nèi)電壓降為穩(wěn)定電壓的90％，計算出C=850μF，取標(biāo)準(zhǔn)電容值820μF。

　 ? 車載逆變電源的仿真實驗

　　該設(shè)計的原理圖中前級使用推挽電路，連接到變壓器上，再通過整流，濾波，逆變得到交流電。反饋回路上通過接口模塊voltage to var，將輸出的電壓反饋回去。而MOS管的驅(qū)動則是使用var to voltage接口模塊，將變量轉(zhuǎn)換成電氣量，應(yīng)用到電路中去作為控制脈沖。

　　仿真原理圖是在Saber中搭建的。其中模塊Inverter_cosim是Saber與Simulink接口模塊，負(fù)責(zé)Saber與Simulink之間的數(shù)據(jù)傳輸。該模塊共有6個輸出接口，1個輸入接口。輸入接口為負(fù)載實時電壓，檢測電壓進行實時反饋。輸出接口中，2個用于控制推挽電路的開關(guān)管的導(dǎo)通，調(diào)整占空比；其余4個用于控制逆變電路的功率管的導(dǎo)通，實現(xiàn)逆變。

　　Inverter_cosim模塊中即是實現(xiàn)Matlab／Simulink控制功能的，相當(dāng)于“子系統(tǒng)”一樣，將控制模塊封裝起來，然后留出輸入／輸出接口，用于與整個系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。Inverter_cosim模塊按如下方法得到：

　?。?）打開Saber軟件主界面的SaberSimulink Cosimulation Tool；

　　（2）選擇File→Import Simulink，選擇控制系統(tǒng)的Model文件即．mdl文件；

　　（3）選擇Model文件之后，Cosim Tool自動檢測并留出聯(lián)合仿真模塊的輸入／輸出；

　?。?）本例設(shè)置聯(lián)合仿真步長為1μs，系統(tǒng)自動生成symbol文件即．ai_sym文件；

　?。?）將symbol文件放入仿真原理圖中，連接好即可進行仿真。

　　在原理圖連接好以后，即可進行暫態(tài)分析，仿真調(diào)用Inverter_cosim模塊的過程如下：首先Saber進行網(wǎng)絡(luò)表生成，然后進行暫態(tài)仿真，此時Saber會打開Matlab／Simulink，并將Simulink中的模型文件打開，調(diào)用Simulink，最后整個系統(tǒng)進行仿真，通過Inverter_cosim模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)兩者的聯(lián)合仿真。

　控制系統(tǒng)方框圖

　　控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

　　圖1的控制系統(tǒng)圖是在Matlab／Simulink中搭建的，通過SaberCosim模塊實現(xiàn)與Saber的數(shù)據(jù)交換。在Saber軟件主界面中，有一個Saber Simulink Cosimulation Tool，點擊之后，選擇File→install Cosim files，選擇與Simulink相對應(yīng)的版本，安裝得到SaberCosim．mdl模型，打開這個模型，即可得到SaberCosim功能塊。將其拖入到Sireulink的模型文件中，并設(shè)置輸入信號數(shù)為6，輸出信號數(shù)為1，其信號的輸入／輸出正好與仿真原理圖中的Inverter_cosim模塊相反。

? ? ? ? 推挽控制原理圖

　　它的控制過程是通過反饋回的電壓與鋸齒波進行比較得到一系列占空比可調(diào)的方波。該控制過程具有死區(qū)控制和輸出強制關(guān)斷等功能。鋸齒波頻率為50 kHz，幅值為5 V。若DTC死區(qū)控制輸入電壓為0 V，則由于已經(jīng)有0．1 V的偏置電壓，則最大占空比為98％。其中Q1，Q2為具有死區(qū)的互補輸出。如圖2所示。

　　反饋控制中使用比例環(huán)節(jié)，由于占空比只能在0～98％的范圍內(nèi)變化，所以該系統(tǒng)控制回路在前向通道上有一個限幅環(huán)節(jié)，這個非線性環(huán)節(jié)將會影響系統(tǒng)反應(yīng)的快慢，因此在控制上要考慮到這個非線性環(huán)節(jié)。

　 逆變控制原理圖

　　逆變電路采用雙極性調(diào)制，調(diào)制比為0．9，調(diào)制波為50 Hz正弦波，載波頻率為10 kHz。其中橋式電路對角開關(guān)同時導(dǎo)通、關(guān)斷，即1，4開關(guān)管同信號，2．3開關(guān)管同信號，其門極和漏極驅(qū)動電壓為15 V。如圖3所示。

　　仿真買驗結(jié)果

　　Saber可以進行交流小信號分析、暫態(tài)分析、零極點分析、應(yīng)力分析等。本例可直接做暫態(tài)分析。仿真時間400ms，仿真步長1μs。仿真時間需要22 min。而使用Matlab／Simulink搭建同樣一個系統(tǒng)，在同樣的誤差和相同的時間內(nèi)，利用變步長算法仿真只仿真了190μs。由此可見Saber在開關(guān)電源仿真方面比Matlab／Simulink具有極大的優(yōu)勢，大大縮短了仿真時間。圖4是仿真波形結(jié)果，負(fù)載電壓近似正弦波。Matl ab／Simulink對波形進行的處理，Saber都可以做到，并且其波形計算器還可以對波形進行更多的后續(xù)處理。利用Saber的傅里葉分析也可以得到其諧波含量等數(shù)據(jù)。圖4為仿真實驗結(jié)果，上半圖為高壓直流端電壓的實時波形，下半圖為負(fù)載電壓正弦波波形。從圖中可以看出高壓直流波形進入穩(wěn)態(tài)后維持在300 V，負(fù)載交流電壓有效值在219 V，頻率50 Hz，波形良好。

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　　本文對車載逆變電源的仿真數(shù)據(jù)進行了分析，得出以下結(jié)論：由于Saber自身的仿真算法先進，大大縮短了系統(tǒng)仿真時間，這是Matlab／Simulink所無法比擬的。該系統(tǒng)的搭建充分利用了Matlab／Simulink控制系統(tǒng)仿真的優(yōu)點和Saber仿真庫硬件模型精確的優(yōu)點，使得系統(tǒng)搭建簡單高效。