第5章DC／DC变换器的动态模型与控制

1、现代电力电子学第5章DC/DC变换器的动态模型与控制第5章DC/DC变换器的动态模型与控制5.1功率变换器动态建模的意义5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型5.3统一电路模型5.4调制器的模型5.5闭环控制与稳定性5.6本章小结20世纪，功率器件经历了从结型控制器件如晶闸管、功率GTR、GTO，到场控器件如功率MOSFET、IGBT、IGCT的发展历程，功率器件的发展历程是一个向理想电子开关逐步逼近的过程。功率器件性能日益提高，使得应用更加方便。功率变换电路拓扑经历了从发展到逐渐稳定的过程。器件和电路的日趋成熟，使得人们自然地将注意力转向电力电子系统的整体性能的优化上来，电力电子系统的问题

2、比以往受到了更多的关注。电力电子系统问题包括控制系统分析与设计、功率变换器组合系统的分析与设计、功率变换器的并联冗余设计、热设计、电磁兼容设计等。5.1功率变换器动态建模的意义5.1功率变换器动态建模的意义图5-1电力电子装置开发流程5.1功率变换器动态建模的意义图5-2不间断电源设备(UPS)系统框图5.1功率变换器动态建模的意义图5-3不间断电源逆变部分其中一相半桥逆变器的控制框图5.1功率变换器动态建模的意义图5-4通信基础电源的系统框图5.1功率变换器动态建模的意义图5-5光伏并网发电系统框图5.1功率变换器动态建模的意义图5-6Buck DC/DC变换器反馈控制系统5.1功率变换器动

3、态建模的意义图5-7线性化处理后的Buck DC/DC变换器系统框图DC/DC 变换器中包含功率开关器件、二极管等非线性元器件，因此DC/DC变换器是一个非线性系统。但是当DC/DC 变换器运行在某一稳态工作点附近时，电路状态变量的小信号扰动量之间呈现线性关系。因此，尽管DC/DC 变换器为非线性电路，但当考察它在某一稳态工作点附近的动态特性时，仍可以把它当作线性系统来近似。变换器动态模型的建立就是基于以上思想，通过简化的方法抓住主要矛盾，忽略次要因素，获得简洁的公式，直观地反映变换器动态特性与电路元器件参数之间的关系，是控制系统的工程化设计的基础。下面通过一个具体的例子介绍变换器动态模型的建

4、模方法。5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-8DC/DC变换器反馈控制系统5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-9占空比宽度低频调制作用a)占空比调制前b) 占空比调制后5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-10输出电压频谱5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-11开关周期平均算子意义a)h(t)函数b) h(t)函数的幅频特性图5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-12DC/DC变换器分割成线性定常网络和开关网络5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-13Boost变换器与开关网络a) Boost变换器b

5、) 开关网络5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-14开关网络两个端口的波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-15用受控源代替开关网络后的Boost变换器电路5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-16由图5-15求开关周期平均5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-17Boost变换器的开关周期平均模型等效电路5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-18Boost变换器开关器件仿真模型和开关周期平均仿真模型对比a) Boost 器件仿真模型b) Boost 开关周期平均仿真模型5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-19稳态情况下输入电流波形对比a

6、) Boost 电路电流波形b) Boost开关周期平均等效电路电流波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-20稳态情况下输出电压波形对比a) Boost电路电压波形b) Boost开关周期平均等效电路电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-21占空比突升情况下输入电流波形对比a) Boost 电路电流波形b) Boost开关周期平均等效电路电流波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-22占空比突升情况下输出电压波形对比a) Boost 电路电压波形b) Boost开关周期平均等效电路电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-23占空比突降情况下输

7、出电压波形对比a) Boost 电路电流波形b) Boost开关周期平均等效电路电流波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-24占空比突降情况下输出电压波形对比a) Boost 电路电压波形b) Boost开关周期平均等效电路电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-25输入电压突升情况下输出电压波形对比a) Boost 电路电流波形b) Boost开关周期平均等效电路电流波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-26输入电压突升情况下输出电压波形对比a) Boost 电路电压波形b) Boost开关周期平均等效电路电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型

8、图5-27输入电压突降情况下输出电压波形对比a) Boost 电路电流波形b) Boost开关周期平均等效电路电流波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-28输入电压突降情况下输出电压波形对比a) Boost 电路电压波形b) Boost开关周期平均等效电路电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-29作小信号扰动后的Boost开关周期平均模型5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-30线性化处理后的受控源a) 受控电压源b) 受控电流源5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-31用开关平均模型导出的Boost变换器小信号等效电路5.2开关周期平均与小信号线性

9、化动态模型图5-32开关网络等效成理想变压器与电源组成的线性两端口网络5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-33变换器开关网络子电路的线性两端口网络a) buck变换器b) boost变换器c) buck/boost变换器5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-34Boost变换器开关器件仿真模型和开关周期平均仿真模型对比a) Boost 器件仿真模型b) Boost 开关周期平均仿真模型5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-35器件模型占空比正5%小扰动波形a) 占空比b) 输入电流c) 输出电压5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-36小信号模型占空比正5%小

10、扰动波形a) 占空比b) 输入电流c) 输出电压5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-37器件模型占空比正10%小扰动波形a) 占空比扰动波形b) 输入电流波形c) 输出电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-38小信号模型占空比正10%小扰动波形a) 占空比扰动波形b) 输入电流波形c) 输出电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-39器件模型占空比负10%小扰动波形a) 占空比扰动波形b) 输入电流波形c) 输出电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-40小信号模型占空比负10%小扰动波形a) 占空比扰动波形b) 输入电流波形c) 输出电压

11、波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-41器件模型输入电压正10%小扰动波形a) 占空比扰动波形b) 输入电流波形c) 输出电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-42小信号模型输入电压正10%小扰动波形a) 占空比扰动波形b) 输入电流波形c) 输出电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-43器件模型输入电压负10%小扰动波形a) 占空比扰动波形b) 输入电流波形c) 输出电压波形5.2开关周期平均与小信号线性化动态模型图5-44小信号模型输入电压负10%小扰动波形a) 占空比扰动波形b) 输入电流波形c) 输出电压波形5.3统一电路模型由于采用不同的

12、推导方法获得DC/DC变换器的小信号交流等效电路形式可能不同，但通过电路变换，可以将它们变换成统一的形式，如图5-45所示。统一电路模型几乎适用于所有DC/DC变换器拓扑。有了统一电路模型，只需代入某一DC/DC变换器的参数，即可得到对应DC/DC变换器小信号交流等效电路。典型DC-DC变换器统一电路模型参数见表5-1。5.3统一电路模型表5-1典型DC-DC变换器统一电路模型参数5.3统一电路模型图5-45统一电路模型5.3统一电路模型表5-2输入至输出的传递函数和控制至输出的传递函数如图5-46所示为一个采用输出电压单环控制的Buck变换器系统，它由Buck变换器主电路、输出电压参考信号与

13、输出电压反馈信号相减单元、误差放大器(又称控制器、补偿网络、补偿放大器)、PWM调制器及功率器件驱动器构成。在DC/DC变换器系统，误差放大器输出的控制量不是直接去控制变换器主电路的功率器件，而是要将控制量变换成占空比大小与控制量成正比的脉冲序列，然后再去驱动功率器件的导通或关断。因此功率器件在一个开关周期中的导通时间与开关周期之比等于脉冲序列的占空比，它与误差放大器的输出控制量成正比。实现控制量到脉冲序列变换的单元就是PWM调制器。5.4调制器的模型5.4调制器的模型图5-46Buck变换器系统5.4调制器的模型图5-47调制器原理5.4调制器的模型图5-48调制器模型5.5闭环控制与稳定性图5-49DC/DC变换器闭环系统5.5闭环控制与稳定性图5-50典型反馈分压网络5.5闭环控制与稳定性图5-51原始电路增益函数(s)伯德图a)幅频图b) 相频图5.5闭环控制与稳定性图5-52回路增益函数G(s)H(s)=(s)(s)的幅频特性图5.6本章小结本章重点介绍DC/DC变换器动态模型的求解方法。首先介绍了开关周期平均的概念，在此基础上，以Boost变换器为例，推导了Boost变换器的开关周期平均等效电路模型。开关周期平均等效电路模型保留了原变换电路的主要动态特征，