車載逆變電源的Saber與Simulink聯(lián)合仿真

摘要：在此運(yùn)用軟件Saber和Matlab／Simulink對車載逆變電源系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，得到具有閉環(huán)控制功能的車載逆變電源系統(tǒng)的實時仿真結(jié)果。通過仿真結(jié)果表明利用Saber和Matlab／Simulink軟件的聯(lián)合仿真，可以實現(xiàn)精確的器件模型，搭建控制系統(tǒng)更方便，保證了系統(tǒng)仿真的收斂性，簡化了系統(tǒng)仿真的難度，縮短了仿真時間。
關(guān)鍵詞：車載電源；Saber；矩陣實驗室；聯(lián)合仿真

0 引言
汽車早已進(jìn)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。常見的逆變電源的結(jié)構(gòu)，都是先通過高頻變壓器升壓成高壓直流，再通過橋式逆變?yōu)楣ゎl交流電。電路仿真軟件主要有Spice，Matlab／Simulink，Saber等，各個軟件都有其自身的特點(diǎn)。Matlab／Simulink在控制系統(tǒng)仿真方面具有優(yōu)勢，并且提供了很多的控制工具箱；而Saber軟件具有精確的硬件元器件模型庫，能為仿真帶來更精確的結(jié)果，同時其在開關(guān)電源仿真上收斂性很好，仿真結(jié)果分析查看工具很強(qiáng)大，后續(xù)處理很優(yōu)秀。本文針對車載逆變電源的特點(diǎn)，利用saber與Matlab／Simulink聯(lián)合仿真，對車載逆變電源進(jìn)行了系統(tǒng)級的仿真研究，得到了特性很好的220 V、50 Hz的交流電。

1 Saber軟件的特點(diǎn)
1．1 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(yù)為全球最先進(jìn)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(jī)電一體化、機(jī)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)方便、高效、準(zhǔn)確的來實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計。
1．2 SaberScope圖形化波形分析器
Saber自帶的SaberScope圖形化波形分析器，功能強(qiáng)大，可以進(jìn)行波形的各種計算分析。它可以快速并形象化地將反映設(shè)計性能的50種測量結(jié)果標(biāo)注到圖形上；能保存圖形的原始數(shù)據(jù)，并再現(xiàn)圖形；具有獨(dú)特的波形計算器，可以將信號管理器中的信號選擇到波形計算器的寄存器中，并對波形進(jìn)行各種運(yùn)算。

2 Matlab／Simulink軟件的特點(diǎn)
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(jìn)行元件級的仿真。但Simulink具有強(qiáng)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(jìn)行搭建的控制算法，可以利用Simulink中的各種系統(tǒng)工具進(jìn)行搭建。并且可以得到良好的效果。

3 車載逆變電源的仿真設(shè)計
3．1 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(jìn)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。
3．2 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(jìn)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(jìn)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。
3．3 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(jìn)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：
(1)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；
(4)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．a(chǎn)i_sym文件；
(5)將symbol文件放入仿真原理圖中，連接好即可進(jìn)行仿真。
在原理圖連接好以后，即可進(jìn)行暫態(tài)分析，仿真調(diào)用Inverter_cosim模塊的過程如下：首先Saber進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)表生成，然后進(jìn)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(jìn)行仿真，通過Inverter_cosim模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)兩者的聯(lián)合仿真。
3．3．1 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(diǎn)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。