3 两种电源的MATLAB仿真与分析
3.1 建立电源的仿真结构图
在MATLAB的Simulink环境下，根据图1、图3设计的电路图搭建仿真结构图，并根据负载要求设计相应的元件参数。为了更好地反映引入Buck变换器后的电路特点，在搭建图3的仿真结构图时，并未引入专门的控制器，而是选取了常规的工频触发脉冲来控制开关管的通断，应当注意的是，在含有电力电子器件的电路或系统仿真时，仿真算法一般选用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s等，这样可以得到较快的仿真速度[9]。以下仿真算法选用ode15s。
3.2 仿真结果与分析
3.2.1 仿真参数选取与输出响应曲线
以射流清洗设备的触摸屏驱动电源输出要求为例进行比较，其输出要求：
直流电源电压Uo=20.4~26.4 V，最大输出功率Po=7 W。在图1所示的电路图中主要参数选取如下：交流输入Ui的参数：Ui=220 V，f=50 Hz，φ=0°(φ为初相角)。
变压器T的参数：变压比为1：1。
电阻R1=330 Ω，R2=1 kΩ，R3=R4=R5=R6=RL=100 Ω，电容C1=2 000 μF。按上述主要参数设定，仿真结果如图4所示。
在图3所示的电路图中主要参数选取为：IGBT工作频率取为工频，电感L1=L2=0.001 H，C1=500 μF，C2=100 μF，C3=2 000 μF。
为对两种电源输出响应进行比较与分析，开关频率取为工频，其他参数的选取与图4所示仿真框图一致。
按上述参数设定，仿真结果如图5所示。
同等条件下，若负载突变，如取负载RL=1 000 Ω，则根据上述已搭建好的仿真框图，仿真结果如图6、图7所示。
线性直流电源输出响应为Uo=47 V，Io=0.047 A。含Buck变换器直流电源的输出响应为Uo=23 V，Io=0.023 A。即在负载变化较大时，线性直流电源的输出需要再次做较大的调整方可满足输出要求。由图6不难看出，线性直流电源的响应速度也有所下降。
3.2.2 响应曲线的分析与比较
由上述仿真图形图4、图5不难看出：两种直流电源在负载较小时，均能满足所需的输出要求，当两种电源的输出电压同为Uo=23 V，输出电流为Io=0.023 A时，输出功率均为Po=5.29 W。由仿真图形图6、图7可以看出当负载较大时，含buck变换器的直流电源优势较为明显，通过仿真数据对比可以发现两种电源有以下输出特点：
在输出相同直流电压或电流时，含Buck变换器的直流电源输出响应时间为0.007 s，远小于线性直流电源的0.5 s，即在线性直流电源中引入Buck变换器后，电源的输出响应速度明显增大，这对于对输出响应实时性要求较高的高压水射流驱动电源来说，具有较强的适应性。
同时，由仿真图形对比可以看出上述线性直流电源的输出响应纹波还比较大，若想获得纹波较小的直流稳压电源，则需加入相应的调压装置。而开关管在工频工作时，含Buck变换器的直流电源在同等条件下，输出电压、电流波形相对稳定。
值得注意的是，由于水射流触摸屏所需的电源输出功率较小，因而线性直流电源的稳压装置中需要相应的电阻来减小电压波动。这就造成了电源自身的损耗增大，不仅使功率转换效率降低，还会导致电源发热量增加，需要更大的散热装置。而对于含Buck变换器的直流电源，在开关管工作在工频时，开关损耗几乎可以忽略不计。在高频时，可以通过辅助电路实现零电压关断、开通，因而在功率转换电路中的损耗较小，电源的发热量也比较小，即功率转换效率更高。
当然，在图5中还可以看出在0.008 5 s时，输出响应存在着微小的电压降落，实际应用中还需要加入相应的反馈控制器，或者电压降落补偿器加以调节，形成闭环控制回路，以保证输出响应的持续稳定。
4 结论
本文从高压水射流设备的实际需求出发，结合开关电源的优点，设计了含Buck变换器的直流稳压电源主电路结构，并以水射流设备触摸屏的驱动要求为例进行仿真说明。通过图形对比可以发现，本文所设计的含Buck变换器的直流电源具有输出响应速度快、功率转换损耗低、输出波形稳定的特点。
在对于输出响应要求较高的电源中，往往为开关管设置专门的控制器，采用各种各样的先进控制方法，如预测控制、自适应控制、模糊PID控制、专家系统、神经网络控制等。通过PWM技术与这些控制方法的有效配合，可以很大程度上提高开关频率（在一些电子工业发达和先进的国家，可以做到兆赫级）以提高直流电源的可靠性，增大输出功率可调范围，实现开关电源的轻量化、小型化。
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