车载逆变电源的Saber与Simulink联合仿真 系统仿真

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摘要：在此运用软件Saber和Matlab／Simulink对车载逆变电源系统进行了联合仿真，得到具有闭环控制功能的车载逆变电源系统的实时仿真结果。通过仿真结果表明利用Saber和Matlab／Simulink软件的联合仿真，可以实现精确的器件模型，搭建控制系统更方便，保证了系统仿真的收敛性，简化了系统仿真的难度，缩短了仿真时间。
关键词：车载电源；Saber；矩阵实验室；联合仿真

0 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。