3 兩種電源的MATLAB仿真與分析
3.1 建立電源的仿真結構圖
在MATLAB的Simulink環境下，根據圖1、圖3設計的電路圖搭建仿真結構圖，并根據負載要求設計相應的元件參數。為了更好地反映引入Buck變換器后的電路特點，在搭建圖3的仿真結構圖時，并未引入專門的控制器，而是選取了常規的工頻觸發脈沖來控制開關管的通斷，應當注意的是，在含有電力電子器件的電路或系統仿真時，仿真算法一般選用剛性積分算法，如ode23tb、ode15s等，這樣可以得到較快的仿真速度[9]。以下仿真算法選用ode15s。
3.2 仿真結果與分析
3.2.1 仿真參數選取與輸出響應曲線
以射流清洗設備的觸摸屏驅動電源輸出要求為例進行比較，其輸出要求：
直流電源電壓Uo=20.4~26.4 V，最大輸出功率Po=7 W。在圖1所示的電路圖中主要參數選取如下：交流輸入Ui的參數：Ui=220 V，f=50 Hz，φ=0°(φ為初相角)。
變壓器T的參數：變壓比為1：1。
電阻R1=330 Ω，R2=1 kΩ，R3=R4=R5=R6=RL=100 Ω，電容C1=2 000 μF。按上述主要參數設定，仿真結果如圖4所示。
在圖3所示的電路圖中主要參數選取為：IGBT工作頻率取為工頻，電感L1=L2=0.001 H，C1=500 μF，C2=100 μF，C3=2 000 μF。
為對兩種電源輸出響應進行比較與分析，開關頻率取為工頻，其他參數的選取與圖4所示仿真框圖一致。
按上述參數設定，仿真結果如圖5所示。
同等條件下，若負載突變，如取負載RL=1 000 Ω，則根據上述已搭建好的仿真框圖，仿真結果如圖6、圖7所示。
線性直流電源輸出響應為Uo=47 V，Io=0.047 A。含Buck變換器直流電源的輸出響應為Uo=23 V，Io=0.023 A。即在負載變化較大時，線性直流電源的輸出需要再次做較大的調整方可滿足輸出要求。由圖6不難看出，線性直流電源的響應速度也有所下降。
3.2.2 響應曲線的分析與比較
由上述仿真圖形圖4、圖5不難看出：兩種直流電源在負載較小時，均能滿足所需的輸出要求，當兩種電源的輸出電壓同為Uo=23 V，輸出電流為Io=0.023 A時，輸出功率均為Po=5.29 W。由仿真圖形圖6、圖7可以看出當負載較大時，含buck變換器的直流電源優勢較為明顯，通過仿真數據對比可以發現兩種電源有以下輸出特點：
在輸出相同直流電壓或電流時，含Buck變換器的直流電源輸出響應時間為0.007 s，遠小于線性直流電源的0.5 s，即在線性直流電源中引入Buck變換器后，電源的輸出響應速度明顯增大，這對于對輸出響應實時性要求較高的高壓水射流驅動電源來說，具有較強的適應性。
同時，由仿真圖形對比可以看出上述線性直流電源的輸出響應紋波還比較大，若想獲得紋波較小的直流穩壓電源，則需加入相應的調壓裝置。而開關管在工頻工作時，含Buck變換器的直流電源在同等條件下，輸出電壓、電流波形相對穩定。
值得注意的是，由于水射流觸摸屏所需的電源輸出功率較小，因而線性直流電源的穩壓裝置中需要相應的電阻來減小電壓波動。這就造成了電源自身的損耗增大，不僅使功率轉換效率降低，還會導致電源發熱量增加，需要更大的散熱裝置。而對于含Buck變換器的直流電源，在開關管工作在工頻時，開關損耗幾乎可以忽略不計。在高頻時，可以通過輔助電路實現零電壓關斷、開通，因而在功率轉換電路中的損耗較小，電源的發熱量也比較小，即功率轉換效率更高。
當然，在圖5中還可以看出在0.008 5 s時，輸出響應存在著微小的電壓降落，實際應用中還需要加入相應的反饋控制器，或者電壓降落補償器加以調節，形成閉環控制回路，以保證輸出響應的持續穩定。
4 結論
本文從高壓水射流設備的實際需求出發，結合開關電源的優點，設計了含Buck變換器的直流穩壓電源主電路結構，并以水射流設備觸摸屏的驅動要求為例進行仿真說明。通過圖形對比可以發現，本文所設計的含Buck變換器的直流電源具有輸出響應速度快、功率轉換損耗低、輸出波形穩定的特點。
在對于輸出響應要求較高的電源中，往往為開關管設置專門的控制器，采用各種各樣的先進控制方法，如預測控制、自適應控制、模糊PID控制、專家系統、神經網絡控制等。通過PWM技術與這些控制方法的有效配合，可以很大程度上提高開關頻率（在一些電子工業發達和先進的國家，可以做到兆赫級）以提高直流電源的可靠性，增大輸出功率可調范圍，實現開關電源的輕量化、小型化。