電力電子轉(zhuǎn)換器（Power Electronics Converter）指的是主要通過(guò)開(kāi)關(guān)器件和其他電路的組合將一種形式的電源轉(zhuǎn)化成另外一種形式的電源。如下圖所示，電力電子轉(zhuǎn)換器可以將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，也可以將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，或者用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率。

例如：電力電子轉(zhuǎn)換器可以用在新能源汽車(chē)上，將動(dòng)力電池的直流電轉(zhuǎn)換成可變頻率的交流電，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，電力電子轉(zhuǎn)換器將可變頻率的風(fēng)電轉(zhuǎn)換成固定頻率的交流電，送到千家萬(wàn)戶。在汽車(chē)LED大燈上，通過(guò)直流電壓的轉(zhuǎn)換(DC/DC) 來(lái)控制大燈的亮度。

讓我們來(lái)看一個(gè)汽車(chē)LED大燈DC/DC的例子：

TI DC/DC LED Developer's Kit 的硬件采用了SEPIC(single endedprimary inductor converter)。它是DC/DC一種形式。硬件中有一個(gè)控制芯片，Simulink可以直接生成代碼運(yùn)行在芯片上，并控制輸出電壓。輸出電壓的高低將影響LED的亮度。PWM的頻率為100Hz。

這里是系統(tǒng)最終運(yùn)行結(jié)果：

Simulink通過(guò)仿真找到PID控制器的最優(yōu)參數(shù)，然后產(chǎn)生代碼到控制器，通過(guò)external mode去控制輸出電壓，從而調(diào)節(jié)LED的亮度。

在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，我們可以用Simulink來(lái)解決如下問(wèn)題：

通過(guò)電路仿真，確定電子元器件件的取值，并理解不同模式下的工作行為。

對(duì)非線性電子元器件建模，并理解電路的動(dòng)態(tài)熱效應(yīng)。

基于時(shí)頻域需求，設(shè)計(jì)并優(yōu)化控制器的參數(shù)。

實(shí)現(xiàn)控制器代碼，編譯、鏈接、下載到控制芯片。

電路仿真

Simscape 是Simulink的物理仿真平臺(tái)，里面提供了機(jī)械、電子電氣、液壓等多種物理建模環(huán)境。基于DC/DC的等效電路，我們可以用Simscape快速搭建電路仿真模型，并通過(guò)仿真選擇合適的諸如電容、電感、電阻的值。

DC/DC運(yùn)行在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）時(shí)，通過(guò)電路方程的計(jì)算，可以獲取電路電子器件的大致取值。由于我們已經(jīng)有了參考設(shè)計(jì)電路，將參考電路中各種器件的值輸入到Simscape的電路中，可以看到仿真一切正常（PWM占空比為0.5）。當(dāng)然，我們也可調(diào)整電子器件的數(shù)字，來(lái)達(dá)到獲取最優(yōu)解的目的。

例如，我們將電感L1的取值從470μH調(diào)整到10μH，觀察發(fā)現(xiàn)，輸出電壓不再取決于PWM的占空比，有其他更多的因素決定輸出電壓的高低。此時(shí)，觀察電流發(fā)現(xiàn)DCDC運(yùn)行在非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。

非線性電子元器件建模

上例中，開(kāi)關(guān)器件我們選擇的是“ideal switch”，即“理想開(kāi)關(guān)”。其中很多實(shí)際的開(kāi)關(guān)器件的非線性因素，例如開(kāi)關(guān)時(shí)間等，沒(méi)有被考慮進(jìn)去。

下面是真實(shí)電路設(shè)計(jì)中的MOSFET的datasheet：

在Simscape中，可以選擇N-Channel MOSFET然后將datasheet中的動(dòng)態(tài)參數(shù)手動(dòng)輸入。

那么真實(shí)的MOSFET和我們導(dǎo)入的MOSFET有沒(méi)有差異呢？我們可以通過(guò)對(duì)比仿真看到：Gate Charge、Steady State、Transfer Characteristics等指標(biāo)高度吻合。

將“真實(shí)”的MOSFET替換掉先前電路中的“理想”開(kāi)關(guān)，并且打開(kāi)它的ThermalPort -- 不但可以仿真電路的動(dòng)態(tài)行為，還可以觀察熱損失動(dòng)態(tài)。

控制器設(shè)計(jì)和仿真

在電子線路仿真完成后，開(kāi)始設(shè)計(jì)控制部分。整個(gè)控制回路如下圖所示：

控制量是輸出電壓，被控對(duì)象是電子線路。控制的核心部分是經(jīng)典的PID控制。

控制的要求是：在0.4s內(nèi)將12伏的輸出電壓變換為27伏的輸出電壓。經(jīng)過(guò)初期的仿真，看到輸出電壓并未達(dá)到控制的精度要求：

顯然，PID的參數(shù)并未調(diào)整好。Simulink有個(gè)很好用的功能: PID tuner ——可以半自動(dòng)化地輔助調(diào)整PID 參數(shù)。

首先，PID tuner試圖去自動(dòng)線性化被控對(duì)象。由于系統(tǒng)中有非連續(xù)性的開(kāi)關(guān)器件，所以自動(dòng)線性化并不成功。在新版本的Simulink中，系統(tǒng)辨識(shí)工具箱可通過(guò)Simulink仿真的輸入輸出辨識(shí)出一個(gè)新的線性化被控對(duì)象。有了線性化的被控對(duì)象，在PID tuner中可以根據(jù)控制設(shè)計(jì)需求，可視化地調(diào)整PID 參數(shù)。

讓我們看一段動(dòng)圖：Simulink用一個(gè)高度從0.5 duty cycle 到0.9 duty cycle的階躍響應(yīng)作為輸入。在右上角的示意圖中，可以看到PID被臨時(shí)刪除，而階躍響應(yīng)被輸入到被控對(duì)象中，這樣可以辨識(shí)出一個(gè)線性化的被控對(duì)象傳遞函數(shù)。

系統(tǒng)辨識(shí)工具箱可以提供多種選項(xiàng)去選擇合適形式的傳遞函數(shù)，比如“underdamped pair”。系統(tǒng)辨識(shí)工具箱可以自動(dòng)根據(jù)所選選項(xiàng)構(gòu)造符合仿真數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)。下面的動(dòng)圖展示了這個(gè)過(guò)程：

有了線性化的被控對(duì)象后，PID tuner就可以發(fā)揮作用了，如下面動(dòng)圖所示：設(shè)計(jì)人員可以交互式地拖動(dòng)圖標(biāo)，找到最優(yōu)的PID參數(shù)，以求達(dá)到控制性能和速度的最佳平衡。

控制器代碼生成

控制策略設(shè)計(jì)完成后，自動(dòng)代碼生成是非常簡(jiǎn)單的一步了。這時(shí)候，用戶有兩個(gè)選擇：

如果硬件有合適的硬件支持包, 例如TI C2000系列。在下載支持包后，驅(qū)動(dòng)層和I/O層都有相應(yīng)的Simulink圖標(biāo)，例如：

將這些連接好后，可以自動(dòng)化的編譯鏈接并一鍵生成生成代碼到芯片上。

如果沒(méi)有硬件支持包，可以讓Simulink生成控制部分的代碼，手動(dòng)和底層去做集成，這也是常用的辦法。