一种新型的升_降压型直流变换器电路仿真平均模型

1、第35卷第5期电力电子技术Vo l. 35, No. 52001年10月Po wer Electronics October, 2001一种新型的升-降压型直流变换器电路仿真平均模型康婉莹, 沈淼森, 钱 江, 钱照明(浙江大学, 杭州 310027摘要:提出了一种新型的单开关升-降压式(Buck -Boost 直流变换器的电路仿真平均模型。这种模型可通过输入参数的选择实现对Buck -Boost 电路的电压控制、峰值及平均电流控制, 以及对DCM -CCM 工作方式的统一。它是一种实用的仿真模型, 可方便地进行稳态和动态分析。在保证准确的基础上, 大幅度提高了仿真的速度, 通常比用实际器件开

2、关电路的仿真速度提高两到三个数量级。关键词:直流变换器; 仿真; 模型中图分类号:T M 46 文献标识码:A 文章编号:1000-100X(2001 05-0048-04A Novel Average Model for Unified Buck -Boost DC /DC ConverterKANG Wan -y ing, SHEN M iao -sen, QIAN Jiang, Q IAN Zhao -m ing(Zhej iang Univ ersity , H angz hou 310027, ChinaAbstract:A novel average model for singl

3、e switch Buck -Boost DC/DC converter has been giv en. Voltage control mode, peak cur rent co ntrol mode and average current control mode can be varied easily by changing the parameter o f the average model. T his model can unify cont inuous conduction mode (CCM and discontinuous conduction mode (DCM

4、 . I t can be used to do static and dynamic circuit analysis. By using this average model the simulation speed can be improved by 23or der compar ing with the using of sw itched model.Keywords:DC/DC co nverter; sinulation; model1 引 言PWM 变换器中, 器件工作在开关状态, 随着开关频率的提高, 用常用的开关电路模型进行仿真, 需要的仿真时间也将增加。在有些应用场合

5、(如高频开关PFC, 谐振变换器等 甚至会导致仿真不收敛。即使在开关频率不高的场合, 若要同时进行系统的闭环控制仿真, 则仿真时间将会长得使人难以忍受, 因此限制了电路仿真的实际应用。在许多实际应用中, 人们关心的往往是整个系统(或电路 的整体性能, 并不需要了解系统在闭环工作时每个具体器件的开关波形, 这时为了提高仿真速度, 就可以用平均模型。但是由于平均模型往往因致力于简化导致了平均模型电路与实际电路在电路结构上差别很大, 使用者往往感觉不到它与实际电路的联系, 实际应用存在诸多困难。SPICE 是一种宏模型的仿真工具, 在许多情况下, 一个描述基本现象的简单的数学表达式就需要用相当复杂的

6、电路方式实现。因此有时会在输入、输出端口的衔接上出现困难, 或在运算过程中出现收稿日期:2001-05-29定稿日期:2001-07-10作者简介:康婉莹(1976- , 女, 山东滨州人, 硕士, 研究方向为功率变换器建模, 电子镇流器。迭代不收敛。而在另一种建模方法行为描述模型法中, 系统可以用一种行为描述语言加以描述。这种方法比宏模型法更高效、更灵活。本文基于这种建模方法首次提出了一种新的基于SABER 仿真工具的通用的升 降压直流变换器电路仿真平均模型Buck -Boost -Avg 。系统的仿真模型采用了行为描述语言MAST 。该平均模型将各电压、电流等在一个开关周期内进行平均, 忽

7、略开关过程细节, 从而使运算速度加快(一般比开关模型快两到三个数量级 。只须改变参数的赋值, 模型不但可适应电压控制、峰值电流控制以及平均电流控制等不同的控制要求, 而且能够实现DCM 和CCM 工作方式的统一, 并且可进行大信号和小信号分析, 为实际变换器全工作过程的仿真分析提供了一种很有力的手段。2 建模原理Buck -Boost 电路可分为功率级和控制环两部分。提出的模型将图1所示的功率级和控制环中的调制器合为一个功率模型模块, 而控制环的电压放大器、电流放大器等环节则另构成控制环模型。这样使用者可根据需要采用不同的控制环拓扑, 并便于在查错过程中观察控制环各节点电量的波形。功率级中电感

8、L 的电流变化正比于L 两端的电压。图2为一个开关周期内电感电流的波形。图一种新型的升-降压型直流变换器电路仿真平均模型2a 为DCM 时的波形, 图2b 为CCM 时的波形。针对图2b 所示的CCM 模式进行分析, 可得流入电容电流如下式所示:I pk +I n U cD 2-2R从图2b 中可得到如下关系式:I c =I L =I g +D 1$I r /2+D 2$I r -D 2$I f /2I pk =I g +$I r(7 (8 (9 (10图1 Buck -Boost 直流变换器的功率级I n =I pk -$I f式中 $I r =U u p D 1T s /L$I f =U

9、off D 2T s /L其中T s 为开关周期, L 为电感量, 上述各式是针对CCM 情况而言的, 但事实上, 它们对DCM 情况同样适用。对于DCM :$I r =$I f =I pk I g =I n =0(11 所以:I L =0+D 1$I r /2+D 2$I r -D 2$I f /2I pk =(D 1+D 2 (12 2U on D 1T sI pk =0+$I r =(13 L显然, 得出了与DCM 条件下相同的分析结果, 因此该模型实现了CCM 与DCM 的统一。根据上述各式, 可以得出相关各电路参数, 求得电路功率级图2 一个开关周期内电感电流的波形由图可见:当开关S

10、 闭合时电感电流线性增大; 当二极管VS 闭合时电感电流线性减小。L式中 U onU off模型。对于控制模式建模, 本模型的实现方法与文献5中相同, 可实现电压控制、峰值电流控制、平均电流控制, 综合上述分析, 可以得出整个电路的平均模型。$i L=U L =U on D 1+U o ff D 2+0D 3S 闭合时电感两端的电压S 断开时电感两端的电压(13 应用举例图3为用本文提出的Buck -Boost 平均模型进行平均电流控制模式仿真分析时用的模型电路。Buck -Boost -Avg 共6个输入、输出端口, 左侧两端口分别接输入直流电源和电感器, 右侧两端口分别为输出电压和地, 另

11、外两端口则留作与电压控制环和电流控制环连接。输出电压引出端的比例放大器及分压电阻控制输出电压。分别用平均模型电路进行直流分析、瞬态分析以及交流小信号分析。电路参数为U in =15V, L =0. 05mH, f s =10kH z, 输出电压设定值为10V 。图4中u out (bbav 给出了输出电压的瞬态分析结果。图5、6、7分别给出了电压控制、峰值电流控制和平均电流控制模式平均模型仿真电路中, 控制误差电压u c 对电感电流i L 的传递函数i L /u c 的交流小信号分析结果。说明提出的新型平均模型Buck -Boost -Avg 既可用于电压控制模式, 也可用于峰值电流控制模式和

12、平均电流控制模式的电路仿真。对于该电路, U on =U in , U off =-U out 因此开关断续状态下平均电感电流为:on 1pk(D 1+D 2 I pk =I L =f s L 2式中 f s(2由(2 式可得:D 1+D 2=L s U on D 11D 1(3D 2=(D 1+D 2 -D 1(4 D 3=1-D 1-D 2(5上述各式中的输出电压U off , 即电容电压U c可以根据下式求得:t U c =i d t +U c0(6 C 0c式中 C 电容的容量U c0 电容初始电压 i c 输入电容电流 第35卷第5期电力电子技术Vo l. 35, No. 52001

13、年10月Po wer Electronics October, 2001图7 平均电流控制模式平均模型仿真电路,信号i L /u c 的交流小信号分析结果图3 平均电流控制模式平均模型仿真电路4 与理想元件级开关模型电路的仿真比较图8为相应的用理想元件构成的开关模型电路, 采用平均电流控制。可以看出图3和图8的控制电路部分是相同的。所提出的Buck -Boost 平均模型将调制器包含在模型之中, 因而图3中不需要加入图8中的调制器部分, 图8中功率级开关的驱动电路在图3电路中也可以省略。对图8电路进行直流分析、瞬态分析以及交流小信号分析并与第三节中的仿真结果进行比较, 以验证所提出的新型平 均

14、模型的正确性和有效性。图4 平均电流控制模式电路与Buck -Boost 平均电流控制模式电路开关模 型瞬态分析仿真结果比较图5 电压控制模式平均模型仿真电路,信号i L /u c 的交流小信号分析结果图8 Buck -Boost 平均电流控制模式电路开关模型仿真电路图4u out 给出了理想元件构成的开关模型电路采用平均电流控制时的输出电压的瞬态分析结果。与图中平均模型电路仿真结果u out (bbav 比较可见, 平均模型忽略了开关周期内的高频变化, 其输出准确地反映了开关模型的仿真结果以开关周期为单位图6 峰值电流控制模式平均模型仿真电路,信号i L /u c 的交流小信号分 析结果的平

15、均。图9给出了平均模型峰值电流模式控制电路当电路在t s =0. 002秒时, 工作状态从CCM 过渡到一种新型的升-降压型直流变换器电路仿真平均模型DCM 时电感电流的变化, 电路参数为:U in =15V, L =0. 32mH , f s =40kHz 。由图可见平均模型电路电感电流仿真结果准确地反映了开关模型电感电流的仿真结果以开关周期为单位的平均。说明本文提出的平均模型Buck -Boost -Avg 同样也能实现CCM 过渡到DCM 的仿真的需要。时间将更长。表1 采用不同模型时的仿真时间对照模式电压控制模式峰值电流控制模式平均电流控制模式平均模型Buck -Boost -Avg

16、0. 883s0. 617s 0. 850s理想元件构成的开关模型157. 5s 122. 4s 168. 5s5 结 论文中提出的单开关升-降压式直流变换器Buck -Boost 的平均模型可通过输入参数的选择实现对Buck -Boost 的电压控制、峰值及平均电流控制, 以及DCM -CCM 工作方式的统一, 可进行直流, 交流及小信号分析, 同时大大提高了仿真速度, 是一种高效且广泛适用的仿真工具。所提出的模型方法同样也可用于其它的直流变换器电路, 从而得到相应的平均模型。参考文献:1Vorper ian. V. Simplified A nalysis of PWM Conv erte

17、rs U sing t he M odel of P WM Sw itchJ.Proceeding of the Vir ginia Pow er Electronics Center Seminar. Blackburg, VA, 1989:120. 2(a 电感电流; (b 电感电流; CCM 到DCM 转折处的放大图9 当电路工作状态在2ms 时由CCM 变为DCM 电感电流的变化情况图中虚线为采用Buck -Boost -Av g 时的计算结果3Bello. V. U sing the SPICE2CAD Package to Simulate and Design the Curre

18、nt M ode Co nverter J.Powerco n, 1984(11 :H2.Dix on. L. . Spice Simulation of Switching Power Supply Per for mance Z. U nitrode Sw itching Regulated Pow er Supply Design Seminar M anual. 1991:1-11-14. 4Lee. Y. S. , et al. A New A pproach to the M odeling of Conver ters for SP ICE Simulation J. IEEE T rans. on Pow. Electron. , 1992, 7(4 :741753. 5任远程等. 一种新型通用升压型直流变换器电路仿真平均模型J.系统仿真学报, 2000, 12(2 :9599.表1中列出的是分别利用平均模型