浙大电力电子系统建模及控制ch2_电流断续方式DC-DC变换器的动态建模
电力电子系统建模与控制DC-DC变换器电流峰值控制及其建模精选课件
第5章 DC-DC变换器电流峰值控制及其建模
1. 稳定性问题
以Buck电路为例,电流峰值控制结构图如图5.1所示。 稳态时电感电流连续时的波形如图5.2所示,其中m1和 -m2分别是开关管ON和OFF期间电流波形的斜率。
在开关管导通期间,电感电流线性增长,在t=αT时刻, 电感电流达到最大值(即电流指令iC)。则有
D2T v~g
(1 2D)T v~ )
MaT
2L
2L
写成一般形式如下式所示,对应的控制系统结构图见
图5.6,其中电压环为内环,电压环的给定是
~
iC
i~L
,电压环的反馈是 Fgv~g
Fvv~
,电流环的给定是
~
iC
,电流环的反馈是
~
iL
~
~
Fm(iC
~
iL
Fgv~g
Fvv~ )
第5章 DC-DC变换器电流峰值控制及其建模
第5章 DC-DC变换器电流峰值控制及其建模
5.1 电流峰值控制概念 5.2 电流峰值小信号模型 5.3 改进的电流控制模型
第5章 DC-DC变换器电流峰值控制及其建模
5.1 电流峰值控制概念
在DC/DC变换电路中,一般控制功率开关管占空比的 信号是由调制信号与锯齿波载波信号比较后获得的,而电 流峰值控制(CPM)中,是用功率开关管电流波形或电感 电流波形代替锯齿波调制信号,以获得所需的PWM控制信 号。
在高频段 Tv(s) / Zo(s) 可近似为一阶环节,即
Tv(s) / Zo(s) 1 M2
s MaTD
则穿越频率 c M2 ,低频时 || Tv(s) / Zo(s) ||1 ,则
电力电子系统建模及控制2第二章 电流断续方式DC/DC 变换器的动态建模pptx
由上式,得到
由图2-2中v1(L)的波形,得到输入端口电压v1(t)的平均值 利用式(2-1)、式(2-6)消去上式中d2和d3得到
上式说明,二端口开关网络的输入电压的平均值等于输入电源电压的平均值。 由图2-2中v2的波形可以得到开关网络输出端口v2(t)的开关周期平均值<v2(t)>Ts
Speic变换器平均模型。在图2-1。和图2-11中,Re=2(L1//L2)/d2Ts。 将DCM方式DC/DC变换器平均模型中的电感短路和电容开路,可以得
到DCM方式Buck、Boost、Cuk、Sepic变换器的直流稳态等效电路。
下面以DCM方式Boost变换器为例,推倒输入、输出增益。图2-2为DCM
类似地可求出输出端口的电流i2(t)的开关周期平均值
由上式,输出端口的输出功率可以表示为
可见输出端口的输出功率等于输入端口的输入功率。输出端口可以等效一个电流 源,该电流源受输入和输出电压控制,如图2-4所示。而二端口开关网络没有功 率损耗,输入断口与输出端口保持功率平衡。
DCM方式时的平均开关网络模型可用一个无损二端口网络表示,如图2-5所示。 输入端口符合欧姆定律,但仅表示<i1(t)>Ts与<v1(t)>Ts的数量关系,并没 有 实际在Re(d1)中消耗能量。实质上,输入功率无损地从输入端口传送至输出端口。
第二章 电流断续方式DC/ DC 变换器的动态建模
DC/DC变换器在轻载时会工作在电感电流断续方式(DCM方式)或有时特意
将其设计在DCM方式,而DC/DC变换器在DCM方式时的动态行为与在CCM方式时
的动态行为存在较大差异,因此需要探讨DC/DC变换器在DCM时小信号交流模
浙大电力电子系统建模及控制ch3_DC-DC变换器的电流峰值控制
Output impedance
Output impedance Result for buck-boost example
Averaged switch modeling With the first-order approximation
Averaged terminal waveforms,CCM: The 1st approximation:
Ts Ts
ic (t) Ts
• Output port is a current source • Input port is a dependent current source
i1 (t) Ts v1 (t) Ts ic (t) Ts v2 (t) Ts
Power conservation for switch network
From rectangle triangle ABD
Change in inductor current perturbation over many switching periods
Similarly
For stability: D 1
D'
D 1 1 D
Example: unstable operation for D = 0.6
vˆg
(s)
iˆg
(s)
sLD D' R
D
iˆc
(s)
D R
vˆ(s)
D D'
2
R
vˆg
(s)
1st order system The state variable is capacitor voltage iL is not state variable Control variable is ic and not d
电力电子系统建模及控制1_第1章DCDC变换器的动态建模
由式(1—6)得到
当Buck-Boost变换器电路达到稳态时,电感电流的瞬时值间隔一个周期 是相同的,即i(t+Ts)=i(t),于是 上式表明,电感两端电压一个开关周期的平均值等于零,即所谓伏秒平 衡。这样可以得到
在阶段1,即[t,t+DTs],电感两端的电压vL(t)=Vg;在阶段2,即[t+DTs,tБайду номын сангаасTs], 电感两端的电压vL(t)=V。代人式(1-12)得到
1.1状态平均的概念 由于DC/DC变换器中包含功率开关器件或二极管等非线性元件,因此
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, 电路状态变量的小信号扰动量之间的关系呈现线性的特性。因此,尽管: DC/DC变换器为非线性电路,但在研究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,这就要用到状态空间平均的概念。 图1—2所示为:DC/DC变换器的反馈控制系统,由Buck DC/DC变换器、 PWM调制器、功率器件驱动器、补偿网络等单元构成。设DC/DC变换器的占 空比为d(t),在某一稳态工作点的占空比为D;又设占空比d(t)在D附近有 一个小的扰动,即:
在阶段2,即[t+dTs,t+Ts],开关在位置2时,电感两端电压为
通过电容的电流为
图1-5为电感两端电压和通过电感的电流波形,电感电压在一个开关周 期的平均值为
如果输入电压vg(t)连续,而且在一个开关周期中变化很小,于是vg(t)在 [t,t+dTs]区间的值可以近似用开关周期的平均值<vg(t)>Ts表示,这样
下面我们将电感电流波形作直线近似,推导关于电感电流的方程。如图 1—6所示.当开关在位置1时
DC-DC变换器平均模型建模及仿真
I. 引言现代电子设备和电子系统通常由高密度、高速度的电路组成,这样的电路具有低压大电流的特性。
为了带动这样的负载,电源必须能在一个很宽的电流范围内提供稳定的电压,其稳态及暂态的整流特性也必须相当出色。
建模与仿真在现代DC-DC变换器的设计过程中扮演了很重要的角色。
它能让工程师在制作实际电路之前评估变换器的性能。
因此,我们可以在设计之初就发现并更正可能存在的设计缺陷,以提高生产率并节约生产本钱。
DC-DC变换器的建模和仿真在过去的十年里是一个热点[1]。
一般来说,变换器建模方法有两种:开关模型、平均模型。
在开关模型中,模型仿真了变换器的开关动作,仿真波形是包含了开关纹波的波形,这与实际看到的波形很相似。
而平均模型只仿真了变换器的平均特性,仿真波形也是平滑而连续的,这个波形代表了平均值而非实际值。
众所周知,对平均模型进展仿真要比开关模型快。
因此,平均模型常用于变换器动态性能的总体评估。
在过去,平均模型的仿真主要是用SPICE来完成的[2]。
SPICE的缺点在于仿真的对象必须是电路的形式,如果模型原型是复杂的方程式,那么要花费很大的精力将其转换成等效的电路形式。
尽管SPICE的新版本也开场支持建立纯数学模型,但是改善仍然有限。
最近,参考文献[3]介绍了一个不错的可以用在DC-DC变换器建模和仿真方面的工具——SIMULINK[4]。
然而,作者使用的变换器模型是线性化的,在大信号条件下,这个模型的仿真效果并不理想。
为了克制上述缺点,本论文讨论了如何应用SIMULINK在大信号条件下对DC-DC变换器进展平均模型的建模与方针。
本文拓展了文献[3]的研究,在变换器的功率和控制局部使用了非线性化的模型,从而改良了模型在大信号条件下的仿真效果。
下面将分别讨论Buck变换器的非线性化的模型,及相关的三个输出电压控制策略。
A. Buck变换器主电路拓扑Buck变换器主拓扑如图1所示:图1 Buck变换器Fig.1. Buck Converter在电流连续的模式下〔CCM〕——即开关开通的时候,电感电流连续——变换器表现为两个电路状态。
DC-DC变换器的动态建模和控制
• •
静态指标
动态指标
功率变换电路设计与系统控制的设计就如汽车的左、右轮
为什么要讨论动态模型?(续)
控制环节的地位?
SWMB
SWIN
TLI
输入 滤波
三相 PFC
三相半桥 逆变器
输 出 滤 波
SWS
为什么要讨论动态模型?
用解析法设计控制系统 系统静态特性、动态性能分析以及仿真 需要
动态模型
?
v( s) ? d (s)
PWM
v( s ) ? vg ( s)
为什么要讨论动态模型?(续)
电力电子装置的技术指标(DC/DC变换器为例) 静态指标:输出电压的精度、纹波、变换效率、功率密度 动态指标:电源调整率、负载调整率、输出电压的精度、动态性能、并联模 块的不均流度
linear
vg (t )
C
L
R
v(t )
vc (t )
i1 (t )
端口1
iL (t )
i2 (t )
开关网络
nonlinear
端口2
v1 (t )
v2 (t )
d (t )
•线性子电路 •非线性子电路
Boost 变换器分割成子电路
Boost converter
• • •
二端口网络有4个端口变量 选择其中的两个作为独立变量(自变量),其他两个变量作为非独立 变量(因变量) 选择状态变量作为独立变量
电压反馈控制
ˆ v( s ) Gvg ( s) ˆ vg ( s )
ˆ ˆ d ( s ) 0, io ( s ) 0
电力电子系统建模与控制DC-DC变换器反馈控制设计
100KHz,PWM调制器锯齿波幅值为2.5V,参考电压为6V
其开环传递函数为9.6/(5e-8s2+1e-4s+1)。 进行增益/相位裕量分析可知,其相位裕量仅8.68度左右 (幅频特性以-40dB/十倍频程过零),比期望的的45度有 很大的差距,使得系统的相对稳定性较差,且存在静态误
差。幅频特性的交越频率fg=14500(1/s)≈2300Hz,幅频特性
第6章 DC-DC变换器反馈控制设计
第6章 DC-DC变换器反馈控制设计
下面再对常用的PI和PID调节器的校正效果进行分析。
加入PI调节器(s+100)/s后的开环传递函数幅频和相频特 性如图4-6中曲线2所示。其幅频特性低频段的折线为20dB/十倍频程,这可消除静态误差;但其幅频特性交 越频段的折线为-40dB/十倍频程,这样的相位裕量必 定不足,相对稳定性较差。 增加积分系数后的曲线如图4-7中的3所示(调节器为 (s+1000)/s),由于低频段的增益提高了,从而使消除
第6章 DC-DC变换器反馈控制设计
取开环传递函数的截止频率为6,则在这个频率下 开环增益为1,由此可以计算得到Kc=20.8,考虑到6离 开对象的零点较近而产生的非线性影响,取Kc=15时, 可以获得38.40的相位稳定裕量,因此校正网络的传递 函数为
第6章 DC-DC变换器反馈控制设计
Buck-Boost小信号模型在超前-滞后校正下的波特图 (K=15)
第6章 DC-DC变换器反馈控制设计
其中,两个零点频率可以设计为原始回路极点频率的
0.5倍,即可计算得到
f1=f2=1/(2*pi*T1)= 1/(2*pi*T2)=712/2, 则 T1= T2=0.447ms; 两个极点频率为开关频率的1~3倍,取1倍,则 f3=f4=1/(2*pi*T3)= 1/(2*pi*T4)=100e3,
电力电子系统建模及控制1_DC-DC变换器的动态模型
S
x(t)
x(t)
x(t) Ts
t
TS
Average over one switching period to remove switching ripple
Explanation
Define
h(t
)
1
/ TS 0
0 t TS other
h(t)
1/ TS
t
TS
Then
x(t) 1 tTS x( )d h(t )x( )d
受到电力电子技术的深刻影响
电力电子装置的分类
电力电子装置的应用范围十分广泛,粗略可分为:
(有功)电源 无功电源 传动装置
• (有功)电源:直流开关电源、逆变电源、不停电电源(UPS)、直 流输电装置等
• 无功电源:静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生装置(SVG)、 有源电力滤波器、动态电压恢复装置(DVR)等
T Ts
t
S
x(t)
h(t)
x(t) Ts
h(t) is a low pass filter
Filter characteristics
x(t )
h(t)
x(t ) Ts
H ( j)
h(t)e jtdt 1
TS
Ts 0
e
jt dt
sin(TS
2
(TS )
) e
j TS 2
2
Amplitude freq. characteristics
电磁兼容分析和设计 SOC,SOP功率集成 系统级功率集成:硬件电路的标准化+网络控制技术
电力电子装置的技术指标
• 电力电子装置需要满足静态指标和动态指标要求。
开关变换器的建模与控制课件第二章断续导电模式下直流-直流变换器建模(8月31日)
对于变换器在DCM模式下的直流分量方程组,求解方程组 可以得到变换器的直流工作点和稳态时的D2值。
3. 线性化 在交流小信号状态方程与输出方程中略去小信号乘积项即
可得到变换器在DCM模式下的线性方程,即
xˆ(t) Axˆ(t) Buˆ(t) (A1 A3)X (B1 B3)Udˆ1 (A2 A3)X (B2 B3)Udˆ2
x(t) y(t)
A2 C2
x(t) x(t)
B2u(t) E2u(t)
工作状态3—— (d1 + d2)Ts< t < Ts阶段,有源开关元件与二极
管同时截止
x(t) y(t)
A3 x (t ) C3 x(t )
B3u(t) E3u(t)
6
2.1状态空间平均法在DCM变换器中的应用
d1,Vg,V d1
g vˆg (t)
D1,vg (t)
,V
Ts
vg (t) Ts
g vˆ(t)
D1,Vg,v(t) Ts
v(t)
Ts
高阶非线性交流项
一阶交流项
直流分量对应相等时可得
I g
D1,Vg,V
D1Ts f 2L
Vg,V
交流分量对应相等时可得
iˆ(t) dˆ1 g
近似表达式,为分析变换器增加一个新方程。
i(t) Ts
的一般形式为
i(t)
Ts
g
d1,vg (t )
,v(t)
Ts
Ts
式中,d1为控制变量
vg (t)
与
Ts
v(t) 分别为输入电压与输出电 Ts
压在一个开关周期内的平均值。
说明:在用状态空间平均法分析DCM变换器的过程中,断续
DC―DC开关变换器的建模与非线性行为控制-2019年精选文档
DC―DC开关变换器的建模与非线性行为控制一、Buck-Boost变换器工作原理Buck-Boost变换器电路如图1(a)所示。
Buck-Boost变换器功率级工作原理:当功率开关管S导通时,二极管D受反向电压关断,电感电流>上升。
当上升达到参考电流I时,S断开,>通过D进行续流,此时D导通。
如果在下一个时钟脉冲到来时大于0,则电路工作于连续导电模式(CCM),电路波形图1(b)所示;如果在下一个时钟脉冲到来前已降到0,则电路工作于不连续导电模式(DCM),此时开关S和D都关断,电路波形图1(c)所示。
控制级工作原理:将电感电流的采样值与参考电流I输入比较放大器A(其放大系数为K),得到误差信号e=(I-),该误差信号与锯齿波信号相比较,控制输出信号调节占空比D,进而控制开关S的导通时。
二、Buck-Boost变换器非线性行为在进行Buck-Boost变换器非线性行为分析前,做如下假设:(1)负载上的电压V恒定不变,可看作是一个电压源。
在实际电路中只要滤波电容足够大,这一假设是成立的;(2)变换器中所有器件均为理想器件,忽略其寄生参数。
1、连续导电模式在t=t(n=0,1,2,…)时刻,S闭合。
此时系统的微分方程为:(1)在t=t+DT(n=0,1,2,…)(D为系统的占空比)时刻,S 断开,此时系统的微分方程为:(2)当电感电流达到参考电流值时,电路开关S由导通转换为关断。
电感电流在时刻的采样值与基准电流I输入比较器A,A的反馈倍数为K,系统的采样控制方程为:(3)en输入PWM控制器,与锯齿波相比较,形成的占空比规律如下:(4)采用A开关映射的数据采样方法,即在开关S闭合的时刻采样数据。
设在t=tn(n=0,1,2…)和t=tn+T (n=0,1,2…)时刻电感电流采样值分别为in,in+1,则系统的离散方程为:(5)将式(3)和式(4)代入式(5),得:(6)其中:式(6)即为系统CCM的离散迭代方程。
第3章 DC-DC变换器动态建模
第3章 DC-DC变换器动态建模
iL(t)~ L
C/D’2 Dvg(t) D’2R -D’2vC(t)
D’(Vg-Vc)a~/L L/D’2
IL α
~
vC(t)~ C R
图3.4 仅考虑输入电压波动 时的等效电路
图3.5 仅考虑占空比波动 时的等效电路
第3章 DC-DC变换器动态建模
仅考虑占空比波动时, vg 为零,则左边变压器的副边电
L
v1(t ) ( v (t ) vc(t ) )'
g
v 2(t ) ( v (t ) vg(t ) )
c
由此可得
v1(t ) v2(t ) ' /
i 2(t ) i1(t ) ' /
第3章 DC-DC变换器动态建模
因此
d iL( t ) vL( t ) L dt
第3章 DC-DC变换器动态建模
即电感电流和电压的开关周期平均值同样也满
足电感特性的微分方程。当电感电流达到稳态
时,其电流的开关周期平均值恒定,则电压的
开关周期平均值为零,但电压的瞬时值并不为
零。
第3章 DC-DC变换器动态建模
同样,电容电流和电压的开关周期平均值同样也满足 电容特性的微分方程,即
iC( t ) C dvc( t ) vC iL dt R
第3章 DC-DC变换器动态建模
则电感电压的开关周期平均值为
1 vL ( t ) [ T
t T t
v ( ) d v ( ) d
L L
t T
t T
1 [ T
t T t
电力电子变换器的建模和控制
“电力电子变换器的控制方法可以分为两大类:线性控制和非线性控 制。” ——摘自第3章
这一摘录概括了电力电子变换器控制方法的分类。线性控制方法基于线性系 统理论,通过调整变换器的输入和输出电压之间的比例关系来控制其性能。而非 线性控制方法则是基于非线性系统理论,通过调整变换器的内部工作点来控制其 性能。
《电力电子变换器的建模和控制》是一本非常值得一读的书。它不仅提供了 丰富的理论知识,还通过案例研究和实践应用,让我们更好地理解和掌握电力电 子变换器的应用。我相信这本书对于所有对电力电子、控制系统和信号处理感兴 趣的读者都将大有裨益。
目录分析
《电力电子变换器的建模和控制》是一本涵盖电力电子、控制系统和信号处 理学科交叉的书籍,机械工业社的这本书籍的内容深入浅出,旨在帮助读者理解 电力电子变换器的建模和控制。书籍的内容分为两部分,第一部分是电力电子变 换器的建模,第二部分是电力电子变换器的控制。
这本书籍的亮点在于其理论与实践的完美结合。作者在介绍每种模型和控制 方法时,都给出了足够详细的解释和说明,同时还有具体的案例分析和解决方案, 使得读者可以更好地理解和应用这些理论。这本书籍还具有完整的目录和
作者简介
作者简介
这是《电力电子变换器的建模和控制》的读书笔记,暂无该书作者的介绍。
感谢观看
《电力电子变换器的建模和控制》这本书提供了关于电力电子变换器建模和 控制的重要知识。通过深入浅出的方式,作者解释了电力电子变换器的基本原理、 建模方法和各种控制策略。书中的精彩摘录不仅展示了作者的专业素养,而且为 读者提供了宝贵的参考信息。这本书对于想要深入了解电力电子变换器建模和控 制的学生和工程师来说是一本必备的参考书籍。
电力电子系统建模及控制 第8章 DCDC变换器模块并联系统的动态模型及均流控制
图8-12为采用不同的均流控制增益Gcs时均流 环回路传递函数的波特图,将它与图8-10比较可知, 均流环的穿越频率远低于输出电压环的穿越频率, 因此二者相互影响小。
从理论上讲,对均流环的设计就是调整均流 放大倍数Gcs 。加入均流环后,控制系统同时存在 电压环和均流环,设计均流环时要避免两个环路的 相互影响。
图8-4给出了最大电流法自动均流的控制示意图。
由于二极管的单向导通性,只有输出电流最大的模块
的二极管导通,均流母线电压Vb才受该模块电压Va的 影响。设在正常情况下,各模块输出电流是均匀的,
如果某个模块的输出电流突然增大,成为n个模块中
最大的一个,该模块的Vi上升,二极管导通,该模块 自动成为主模块,而其他模块则成为从模块。由前所
这种方法的缺点是一旦主模块故障,就会使整个系 统瘫痪,无法实现冗余。为此,出现了最大电流自动均 流法。这是一种自动设定主模块和从模块的方法,即在 N个并联的模块中,输出电流最大的模块将自动成为主 模块,而其余的模块则为从模块。最大电流作为指令电 流,各从模块根据自身电流与指令电流之间的差值调节 各自模块的输出电压,校正负载电流的分配不均匀,实 现模块间均流。这种方法又称为自动主从控制法。
n
VIj
j 1
(8 12)
式中,VIj是各模块输出电流经取样电阻得到 的对应电压信号;n是并联模块数目;vAC是平均 电流信号。
式(8-13)写成分式为
vAC
VI1
VI 2 n
VIn
用小信号描述
(8 14)
v AC (vI1 vI 2 vIn ) n
(8 15)
式中vI1, v、I 2 、vIn。代表每个模块输出电流对应
8.2 平均电流均流法与DC/DC变换器模 块的动态模型
第3章 DC-DC变换器动态建模汇总
~ ig
~ DiL
~ IL
第3章 DC-DC变换器动态建模
3. 小信号交流等效电路
上述三个微分方程可用下面三个对应的子电路来表达。
~ ~ g和 Di L构成的两端口网络以及 D ' vC 和 由于受控源 Dv
~ D ' iL
~
分别都符合理想变压器的特征,为了进一步观察
他们之间的相互联系,可用变压器耦合的小信号交流 模型来表达。
第3章 DC-DC变换器动态建模
iL(t)~ L
同样也存在 Ig=ILD
第3章 DC-DC变换器动态建模
若在稳态工作点附近存在输入电压vg和占空比α的扰动,
即
~ vg(t ) Vg v g (t )
~ D
则会引起各状态变量的微小变动,即
iL(t )
ig(t )
~ IL iL(t )
~
vC(t ) VC vC(t )
第3章 DC-DC变换器动态建模
对于电感来说,描述电感特性的微分方程为 通过积分可以得到
t T
di L( t ) vL( t ) L dt
t T t
1 diL() L t
vL()d
即
iL ( t T ) iL ( t ) L vL( t ) T 而 t T 0 t T d iL(t ) d 1 1 d iL (t T ) iL (t ) [ iL( )d ] [ iL( )d iL( )d ] dt dt T t T dt t T 0
因此
d iL ( t ) vL( t ) L dt
电力电子建模控制方式及系统建模(ppt 48页)
uC(t) R
sLiL(s)=uin(s)(1D)uC(s)d(s)UC sCuC(s)=(1D)iL(s)d(s)ILuCR(2s3)
第2步. 根据S域状态方程求取传递函数
sLiL(s)=uin(s)(1D)uC(s)d(s)UC sCuC(s)=(1D)iL(s)d(s)ILuCR(s)
CduC(t) dt
(1d)iL(t)uC R (t)
17
第2步. 分离扰动
大信号模型
d L
iL(t) dt
=
uin(t)
(1d)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
uC(t)
Cd
uC(t) dt
=(1d)
iL(t)
uC(t) R
各平均变量和控制量d都包含了直流分量和低频小信 号分量,为大信号模型。
若要得出低频小信号模型,需要将直流分量和低频 小信号扰动进行分离。
22
3. 利用小信号解析模型求取传递函数
小信号建模的目的:研究占空比、输入电压的低频小 扰动对DC/DC变换器中的电压、电流稳定性的影响。
第1步. 拉 普拉斯变 换
设各状态 变量的初
值为零
LdidLt(t)=uin(t)(1D)uC(t)d(t)UC
CdudCt(t)
=(1D)iL(t)d(t)IL
18
令:
iL(t) =ILiL(t) uC(t) =UCuC(t) d=D d(t) uin(t) =Uinuin(t)
则状态方程改写为:
Ld[IL dtiL(t)]=[Uinuin(t)][1(Dd(t)][UCuC(t)] Cd[UC dtuC(t)]=[1(Dd(t)][ILiL(t)]UCRuC(t)
浙大电力电子系统建模及控制ch4_DC-DC变换器反馈控制设计
Amplitude Bode plot
•Meet a pole, Fold down with a rate of –20dB/dec •Meet a zero, Fold up with a rate of +20dB/dec
20 lg G( j)
–20dB/dec –40dB/dec
f z1
H ( s)
and
G( j)H ( j) 1
G ( j ) H ( j ) 180 0
To Break the oscillation condition, it is required
Use small-signal converter model Perturb and linearize remainder of feedback loop
DC/DC converter system small-signal block diagram
叠加原理求解
-
Solution of block diagram
which is independent of the gains in the forward path of the loop. This result applies equally well to dc values:
Output is not sensitive to parameter variation in the forward path
G ( j )
0 -90
-180
f p1 10
f p1 10 f
p1
f p2
f z1
Stability of closed loop
R( s )
+ -
E ( s)
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Transfer functions of DCM converter
1 ˆ ( s) j2 ( R // r2 )d sC ˆ ˆ ( s ) j2 d ( s ) v 1 1 s( R // r2 )C ( R // r2 ) sC ( R // r2 )
control-to-output Gvd ( s)
Small-signal ac model of DCM buck-boost converter
Small-signal ac models of the DCM buck and boost converters
Simplification of DCM small-signal model
v2(t) Ts
Let L short circuit C open circuit
I1
f i (V1 , V2 )
I2
Re (d1 )
+
vL
L
vg() t Ts
-
C R
V2
R
V
-
-
Converter input power:
Converter output power:
i2(t) Ts
v2(t) Ts
Re (d1 )
+
vL
L
C R
v(t ) Ts
-
Solution of averaged model: steady state
fi ( v1 Ts , v2 Ts )
i1 (t ) Ts v1(t) Ts
i2(t) Ts
+
vg (t )
v1 (t )
Ts
Ts
+
i1(t) Ts
i2 (t )
+
Ts
Re (d )
C
R
v(t) Ts
-
Steady-state model: DCM buck, boost
Let L short circuit C open circuit
i1(t) Ts Re(d)
+
L
+
v1 (t )
Buck
Chapter 2 Modeling of DCM DC/DC Converter
Characteristics at the CCM/DCM boundary
•All converters may operate in DCM at light load •Steady-state output voltage becomes strongly load-dependent •Dynamics in DCM mode is different to CCM mode
i1 (t ) Ts
v1 (t ) Ts Re (d (t ))
f1 v1 (t ) Ts , v2 (t ) Ts , d (t )
Expand in three-dimensional Taylor series at the quiescent operating point:
1 vL (t ) Ts Ts
t Ts
t
1 vL dt Ts
t Ts
t
L
di L dt [i t Ts i (t )] dt Ts
Solve for d2:
Average switch network port voltages
Average v1(t) waveform:
1. A two-port lossless network 2. Input port obeys Ohm’s Law 3. Power entering input port is transferred to output port
The loss-free resistor (LFR)
Review of last week study
df1 v1 ,V2 , D df1 V1 , v2 , D ˆ ˆ1 (t ) ˆ2 (t ) I1 i1 (t ) f1 V1 , V2 , D v v dv1 dv2 v V v V
1 1 2
2
df1 V1 ,V2 , d ˆ d (t ) ...... dd d D
ˆ( s ) v line-to-output Gvg ( s ) ˆg ( s ) v
ˆ ( s ) 0 d
g 2 ( R // r2 ) 1 s ( R // r2 )C
Stage 1
Switch is on and diode is off
Inductor current increase linearly
Stage 2
Switch is off and diode is on
Inductor transfers energy to output The stage is ended once inductor current reduce to zero.
d1 d 2 d3 1
use:
Similar analysis for v2(t) waveform leads to
Average switch network port currents
Average the i1(t) waveform:
The integral q1 is the area under the i1(t) waveform during first subinterval. Use triangle area formula:
Input port
i1 (t ) Ts v1 (t ) Ts Re (d (t )) f1 v1 (t ) Ts , v2 (t ) Ts , d (t )
Output port
i2 (t ) Ts
Similarly
Re d (t ) v2 (t ) Ts
Input port: Averaged equivalent circuit
where
Output port: Averaged equivalent circuit
Power balance in lossless two-port networks
In a lossless two-port network without internal energy storage: instantaneous input power is equal to instantaneous output power.
DCM buck, boost model
i1(t) Ts Re(d)
Buck
L
+
vg (t )
+ v1 (t ) +
Ts
Ts
i2 (t )
+
Ts
v2 (t )
Ts
C
R
, v2 Ts )
v (t )
Ts
-
fi ( v1
-
Ts
+
Boost
L
v2 ( t ) -
Ts
fi ( v1
Ts
, v2 Ts )
vL (t )
Ts
0
ˆL (t ) 0 v
Buck, boost, and buck-boost converter models all simplify to
DCM buck, boost, and buck-boost converters exhibit a single-pole system
-
Conversion ratio of DCM converter
Small-signal ac modeling of the DCM switch network
Perturb and linearize:
We get
Linearization by Taylor series
Given the nonlinear equation
2 v1 (t ) T s
f 2 v1 (t ) Ts , v2 (t ) Ts , d (t )
DC terms Small-signal ac linearization
Small-signal DCM switch model parameters
Table Small-signal DCM switch model parameters
Stage 3
Both Switch and diode are off Capacitor output energy to load
DCM waveforms
Peak inductor current:
d2(t)= ?
Average inductor voltage:
In DCM, the diode turns off when the inductor current reaches zero. Hence, i(0) = i(Ts) = 0, and the average inductor voltage is zero. This is true even during transients.
Equate and solve:
Steady state input to output ratio
For the buck-boost converter, we have
Eliminate Re:
Averaged models of DCM converters