第5章 DC／DC变换器的动态模型与控制
合集下载
双向DCDC变换器的控制模型
频域分析法是通过分析系统的频率特性来评估其稳定性的方法。对于双向 DCDC变换器，可以通过绘制系统的频率响应曲线来分析其稳定性。在频域分析中， 可以通过调整系统的开环传递函数来改变系统的频率响应曲线，从而优化系统的 稳定性。
控制优化
在实际应用中，可以根据实验数据对双向DCDC变换器的控制模型进行优化， 以实现更好的控制效果。下面将介绍几种常见的优化方法。
参考内容
随着电力电子技术的发展，直流电源在各种电子设备和电动车辆等领域的应 用越来越广泛。而软开关双向DCDC变换器作为一种高效、可靠的直流电源变换器， 也受到了越来越多的。本次演示将介绍软开关双向DCDC变换器的控制模型。
一、软开关技术
软开关技术是指在开关过程中，通过控制电压、电流或相位等参数，使开关 的损耗减小、噪声降低、电磁干扰减少，从而提高电源的效率和使用寿命。软开 关技术是实现高效率、高可靠性电源的关键技术之一。
3、控制算法的实现
控制算法是双向DCDC变换器控制模型的核心，用于实现系统的闭环控制。常 见的控制算法包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。在实现控制算法时， 需要综合考虑系统的性能要求、控制精度、响应速度等因素，并根据实际情况进 行调整和优化。
稳定性分析
稳定性是双向DCDC变换器的重要性能指标之一。为了确保系统的稳定性，需 要对控制模型进行稳定性分析。稳定性分析可以通过时域分析法和频域分析法等 方法进行。
1、参数调整
可以根据实验数据调整控制模型的参数，如PID控制中的比例、积分和微分 系数等，以优化系统的控制效果。此外，还可以调整滤波器的电阻和电容等参数， 以优化系统的响据实际应用场景选择不同的控制策略，以满足不同的性能要求。例如， 在分布式电源系统中，可以选择功率因数控制策略来提高系统的功率因数；在电 动汽车中，可以选择能量管理策略来提高整车的续航里程和动力性能。
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
电力电子技术-第五章 AC-DC变换器2
sin1 E
2U2
5.3.1 移相控制技术
id
ud
R O
ud
id
E
E t
a)
若α <δ 则晶闸管 需要延迟导通，要 求触发脉冲要有足
够的宽度
O
t
b)
1
Ud
[()E
2U2sintd(t)]
1[
2U2(coscos)]E
在α角相同时，整流输出电压比电阻负 载时大。
换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触
发角a的起点，即 =0
T
a
u2 =0 ua
ub
uc
VD1 b
VD2 c
ud
VD3
O t1
t2
t3
t4
t
id ud
id
O
t
电阻负载时，阳极R 电压最
高者开通
5.3.2 三相半波相控整流电路
=0时的工作 波形
导通角：晶闸管在一个电源周期中处于 通态的电角度，用θ (=π- α)表示
5.3.1 移相控制技术
T
a) u1
u2
VT
uVT
id
ud R
u2
b) 0 t1 ug
c) 0 ud
d) 0
uVT
e) 0
2
t
t
t
t
几个重要的基本概念：
移相：改变触发脉冲出现的时刻，即改变 触发角的大小称为移相。并且这种改变触 发角的大小可使整流平均电压发生变化的 控制方式称为移相控制。
5.3.1 移相控制技术
最小连续电流和最小电感量
DC-DC变换器的动态建模和控制
功率变换电路设计： 电路拓扑 磁设计 功率元件驱动 热设计 系统控制的设计 控制环路方案 控制参数设计
• •
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
• •
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
DC-DC变换器的滑模变结构控制及动态品质研究.ppt
自入学以来，我班绝大部分同学在课余时间里，合理安排时间，参加了许多不同 种类组织，锻炼了自己的工作能力。其中，曾担任社团负责人 4 名，院辩论队队长 1 名、副队长 2 名，现担任院团委部长 1 名，院学生会副主席 1 名、部长 3 名，院足球 队负责人 1 名。在参加校院级各项活动中，我班有十名同学代表我院参加校运会；五 名同学代表我院参加校太极拳比赛，获得第二名的好成绩；三名同学代表我院参加第 十一届“世纪杯”辩论赛，并闯进前八强；我班吴寿华同学在江西农业大学第四届棋 王争霸赛中荣获冠军、并代表我校参加南昌市高校首届象棋棋王争霸赛，获得第二名 的优异成绩。此外，我班积极参加了各项活动并取得了一定的成绩：如在我院首届班 班排舞大赛中勇夺冠军；在班班辩论赛中表现突出荣获冠军。此外，我班在院团委的 支持下，成功承办了学院第五届“青春风采杯”演讲比赛，赢得了老师和广大同学的 一致好评。
建立核心，完善制度，形成有效的管理机制。班委成员是民主选举产生的，班委 们始终秉承“以人为本，以班为纲”的治班理念，坚持以它作为班级管理的指导思想， 督促班级成员“做好自己，共创美好未来”。全体班干部均能以全责为己任，紧密协 作，不仅按时按质按量地完成了学校、学院安排的各项任务，而且能够创造性的开展 富有特色的活动。班委会工作最大的特点就是有计划、有制度、有总结，根据我班的 具体情况，本着“从实际出发，一切为班级和全体同学服务”的宗旨，制定并逐步完 善管理制度，使同学们对班委会满意，使学院和老师对我们放心。全体班委成员心往 一处想、劲往一处使，尽最大努力为班集体服务、为普通同学服务，在增强班级凝聚 力的同时，努力使全班同学向党、团组织靠拢，使同学们在提高能力的同时思想素质 也得到更进一步的提高。 三、学习方面：
尊敬的各位领导、老师，亲爱的同学们： 大家下午好! 正值全校师生还沉浸在我校本科教育七十周年的喜庆当中，我校一年一度的学生
建立核心，完善制度，形成有效的管理机制。班委成员是民主选举产生的，班委 们始终秉承“以人为本，以班为纲”的治班理念，坚持以它作为班级管理的指导思想， 督促班级成员“做好自己，共创美好未来”。全体班干部均能以全责为己任，紧密协 作，不仅按时按质按量地完成了学校、学院安排的各项任务，而且能够创造性的开展 富有特色的活动。班委会工作最大的特点就是有计划、有制度、有总结，根据我班的 具体情况，本着“从实际出发，一切为班级和全体同学服务”的宗旨，制定并逐步完 善管理制度，使同学们对班委会满意，使学院和老师对我们放心。全体班委成员心往 一处想、劲往一处使，尽最大努力为班集体服务、为普通同学服务，在增强班级凝聚 力的同时，努力使全班同学向党、团组织靠拢，使同学们在提高能力的同时思想素质 也得到更进一步的提高。 三、学习方面：
尊敬的各位领导、老师，亲爱的同学们： 大家下午好! 正值全校师生还沉浸在我校本科教育七十周年的喜庆当中，我校一年一度的学生
第5章DC-DC变换技术.ppt
生断续现象。
LC即为临界电感值，式中RL为负载电阻。
2019-7-21
谢谢欣赏
19
2）电感电流断续工作方式（Discontinuous current mode）
图5-6b给出了电感电流断续时的工作波形，它有 三种工作状态：①Q导通，电感电流iL从零增长 到 ；②Q关断，二极管D续流，iL从 降到零； ③Q和D均截止，在此期间iL保持为零，负载电流 由输出滤波电容供电。这三种工作状态对应三种 不同的电路结构，如图5-2b、c、d所示。
2019-7-21
谢谢欣赏
7
4）按电力半导体器件在开关过程中是否承受电压、电流应 力划分。可分为硬开关和软开关。所谓软开关是指电力半 导体器件在开关过程中承受零电压（ZVS）或零电流 （ZIS）。
5）按输入输出电压大小划分。可分为降压型和升压型。 6）按输入与输出之间是否有电气隔离划分。可分为隔离型
假设：晶体管关断时，
；晶体管导通
时
；则该晶体管为理想开关（Ideal
switch），在理想开关情况下，晶体管损耗为零。
两种模式的电源方块图如图5-3a和图5-3b所示。
2019-7-21
谢谢欣赏
3
vCE
IL
Vs
RL Vo
a
vCE
IL
Vs
RL Vo
b
图5-1 a 线性调节器模式
2019-7-21
谢谢欣赏
8
3、 DC-DC变换器的要求及主要技术指标
1）输入参数：输入电压及输入电压变化范围；输 入电流及输入电流变化范围； 2）输出参数：输出电压及输出电压变化范围；输出 电流及输出电流变化范围；输出电压稳压精度。 输出电压稳压精度，包括两个内容: 负载调整率，即负载效应。指当负载在0-100%额 定电流范围内变化时，输出电压的变化量与输出 电压额定值的比值。 源效应是指当输入电压在规定范围内变化时，输 出电压的变化量与输出电压额定值的比值。 效率 输出电压纹波有效值和峰-峰值 比功率（功率/重量）,是表征小型化的重要指标。
DC-DC变换基本电路和控制方法综述
文章编号：DC-DC变换基本电路和控制方法综述作者（江南大学物联网工程学院，江苏省无锡市 214122）摘要：近20年来，随着科学技术日新月异的发展，特别是功率开关器件的发展，DC-DC变换的拓扑结构和控制技术取得了很大的成就。
本文主要是对当前DC-DC变换电路——隔离型和非隔离型、两端口和多端口、单向变换和双向变换和控制方法——软开关、移相PWM、同步整流、多电平技术的发展与现状进行综述，并讨论了DC-DC变换器未来发展趋势。
关键词：基本电路;控制方法；隔离型；双向；同步整流中图分类号：文献标识码：1引言DC-DC变换器是将不可调的直流电压转变为可调或固定的直流电压，是一个用开关调节方式控制电能的变换电路，这种技术被广泛应用于各种开关电源、直流调速、燃料电池、太阳能供电和分布式电源系统中。
上个世纪，随着功率开关器件的发展，变换器拓扑和变换技术已经取得了很大的成就，并且已经发展到一个相当高的水平。
在DC-DC变换器演化过程中，离不开各种直流变换技术，各种新技术的产生和发展很大程度上影响了变换器拓扑的演化。
高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及低成本、小体积是DC-DC变换器的发展方向，各种变换技术也都围绕着提高变换器性能而相继被提出。
本文围绕着DC-DC变换的基本电路——隔离型和非隔离型、单端口和多端口、单向变换和双向变换以及控制方法——软开关、同步整流、移相PWM技术、多电平技术的发展和现状进行综述，并展望直流变换器未来的发展趋势。
2隔离型和非隔离型主要电路2.1非隔离型主要电路DC-DC非隔离型主要电路包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK等电路。
2.1.1降压型BUCK电路降压型BUCK电路如下图2.1所示。
工作原理为：当开关晶体管导通时，二极管关断，输入端直流电源Vi将功率传送到负载，图2.1降压型BUCK电路拓扑并使电感储能；当开关晶体管关断时，二极管导通，续流，电感向负载释放能量。
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。
现代电力电子学第5章 DC／DC变换器的动态模型与控制
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
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5-6 Buck DC/DC变换器反馈控制系统
5.1 功率变换器动态建模的意义
图5-7 线性化处理后的Buck DC/DC变换器系统框图
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型 DC/DC 变换器中包含功率开关器件、二极管等非线性元器件，
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
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5-12 DC/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
第5章交流等效电路分析
开关位于 1位置：
开关位于 2位置：
0
dTs
i(dTs ) i(0) (dTs )
终值 初值 作用时间
vg
(t )
Ts
L
平均斜率
i{ (Ts ) i{ (dTs ) ({ dTs )
终值
初值
作用时间
v(t)
1
4
L 2
Ts
43
平均斜率
i TS
Ts
t
电感电流在一个开关周期内的净增量
•忽略开关纹波的影响 •忽略复杂的开关谐波和边带 方法： •通过平均一个开关周期中的波形来消除谐波。
波形平均消除开关波形
在一个开关周期中求平 均值消除开关谐波：
d L
iL (t) TS dt
vL (t) Ts
d C
vc (t) TS dt
ic (t)
TS
xL (t )
Ts
1 Ts
tTs x( )d
交流变量 Vg t, R,d t 如何影响输出电压？ 什么是变换器的小信号传递函数？ •将第二、三章变换器稳态模型知识扩展到连续导通模式下 的变换器动态特性（第5章） •构造变换器小信号传递函数（第6章） •设计变换器控制系统（第7章）
5.1 交流等效模型
•用数学方式表示的物理现象 •系统模型主导的现象，忽略其他不重要的因素 •简化的模型能表达出物理实质，帮助工程师以某种特定 方式设计系统 •近似忽略小而复杂的因素 •物理实质获得后，模型进而可以细化去解释之前被忽略 的因素（这些因素值得花费精力去做）
整理可得：
L
dI dt
diˆ(t dt
)
DVg DV
直流分量
Dvˆg (t) D vˆ(t) dˆ(t) Vg V
电力电子建模Ch1-DC-DC变换器CCM的动态模型
v(t)的 频谱
调制频率及 谐波
开关频率及 边频带
开关频率谐波及 ns frequency components at: • Modulation frequency and its harmonics • Switching frequency and its harmonics • Sidebands of switching frequency
Contents
1. Introduction 2. Modeling of CCM DC/DC Converter 3. Modeling of DCM DC/DC Converter 4. Current Programmed Control 5. Feedback Control Design 6. Modeling and Control of Single Phase Inverter
T Ts
t
S
x(t)
h(t)
x(t) Ts
h(t) is a low pass filter
Filter characteristics
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
DC/DC CONVERTER SYSTEM( STATIC STATE)
混合动力汽车双向DC／DC变换器建模与控制
混合动力汽车双向DC／DC变换器建模与控制双向DC/DC变换器是混合动力汽车中的关键技术之一，它主要的功能是使得电动机和储能元件之间的能量双向流动，实现汽车在行驶过程中对能量的回收。
首先分析了混合动力汽车双向DC/DC变换器的作用及其基本工作原理，然后，在不同工作模式下，通过分析确立了相应的控制目标，并分别建立了不同工作模式下的数学模型，进行双向DC/DC变换器控制器的研究与设计，最后，对提出的控制方案，通过仿真进行验证。
标签：双向DC/DC变换器混合动力汽车控制0 引言本文选择混合动力汽车中常用的双向Buck/Boost变换器作为研究对象，分析了其拓扑结构和工作原理，阐述了双向Buck/Boost变换器的数学建模及控制器的设计，重点分析了其启动模式、驱动/再生制动模式、充电模式的数学建模及控制器的设计。
最后对不同模式下的双向Buck/Boost变换器控制器的设计进行仿真验证。
1 双向Buck/Boost变换器的拓扑结构和工作原理1.1 拓扑结构图1表示了双向Buck/Boost变换器的拓扑结构。
输入侧为动力电池，输出侧用来驱动电机，当工作在Boost模式时，动力电池向负载提供能量；当工作在Buck模式时，负载向动力电池提供能量，从而实现能量的双向流动。
1.2 工作原理混合动力汽车的运行模式主要可以分为四种，启动模式，驱动模式，再生制动模式和充电模式。
当混合动力汽车启动瞬间，内燃机不工作，动力电池放电来启动汽车，此时，双向Buck/Boost电路的负载是启动电阻R；当混合动力汽车处于加速爬坡或重载的情况时，工作于驱动模式，动力电池经过双向Buck/Boost电路输出能量，驱动内燃机工作；当混合动力汽车处于减速制动的情况时，属于再生制动模式，此时能量经过Buck/Boost电路被动力电池回收；当混合动力汽车的电池能量不足，需要充电时，将工作于充电模式，负载经过Buck/Boost电路向动力电池充电。
第五章DC DC变换器
直流斩波
图 5.2 Buck变换器
电路图及其主要波形
直流斩波
在整个开关周期中，流过电感的电流均不为零， 被称为电流连续工况。这时Buck电路在一个开关 周期期间输出电压波形为宽度为、数值为的矩形 波电压。
直流斩波
电路的开关状态和工作波形
iS
VS
o + T
v EO
E + G D
vl
L C
-
vo
T G D
E
v EO
+
vl
L
C
-
vo
iC
C
V g
iL
io
R
io
o
直流斩波
滤波
滤波器电抗对谐波 的阻抗为：
wL
iS
+ o
T G D
E
v EO
+
vl
L C
-
vo
iC
C
滤波器电容对谐波 的阻抗为：
V S
V g
iL
io
R
io
o
buck 电路图
1 wC
如果：
wL >> 1 wC
各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。
iC
C
vg
io
R
T on
Toff
I L max
t
Ts
I L min
Vg
iL
iL
I L = Io
io
o
t
iT
iT
I L max I L min
iS VS
+ L
vl- i l
C
iD
iT
vO
i
DC-DC变换技术模板.pptx
第5章 DC-DC变换技术
§5.1 概述 §5.2 DC-DC变换器的基本电路拓扑 §5.3 带变压器隔离的DC-DC变换器原理
§5.4 PWM控制器原理
2019-11-16
谢谢你的观看
返回
1
§5.1 概述
将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受控的输 出直流电压称之为DC-DC变换。
和不隔离型。隔离型DC-DC变换器按电力半导体器件的个 数可分为：单管DC-DC变换器[单端正激（Forward）、单 端反激(Flyback)]；双管DC-DC变换器[双管正激(Double transistor forward converter)、双管反激（Double transistor flyback converter）、推挽电路（Pushpull converter）和半桥电路（Half-bridge converter） 等]；四管DC-DC变换器即全桥DC-DC变换器（Full-bradge converter）。不隔离型主要有降压式（Buck）变换器、 升压式（Boost）变换器、升降压式（Buck-Boost）变换 器、Cuk变换器、Zeta变换器、Sepic变换器等。
2019-11-16
谢谢你的观看
6
2 DC-DC变换分类： 1）按激励方式划分。由于电力半导体器件需要激励信号，
按激励方式划分为它激式和自激式两种方式，它激式DCDC变换中有专业的电路产生激励信号控制电力半导体器件 开关；自激式变换中电力半导体器件是作为振荡器的一部 分（作为振荡器的振荡管）。 2） 按调制方式划分。目前在变換中常使用脉宽调制和频率 调制两种方式，脉宽调制PWM（pulse width modulation） 是电力半导体器件工作频率保持不变，通过调整脉冲宽度 达到调整输出电压。频率调制PFM（pulse frequent modulation）是保持开通时间不变，通过调节电力半导体 器件开关工作频率达到调整输出电压。频率调制在DC-DC 变换器设计中由于易产生谐波干扰、且滤波器设计困难。 脉宽调制与频率调制相比具有明显的优点，目前在DC-DC 变换中占据主导地位。还有混合式，即在某种条件下使用 脉宽调制（PWM），在另一条件下使用频率调制（PFM）。 3）按储能电感与负载连接方式划分。可分为串联型和并联 型两种。储能电感串联在输入输出之间称之为串联型；储 能电感并联在输出与输入之间称之为并联型。
§5.1 概述 §5.2 DC-DC变换器的基本电路拓扑 §5.3 带变压器隔离的DC-DC变换器原理
§5.4 PWM控制器原理
2019-11-16
谢谢你的观看
返回
1
§5.1 概述
将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受控的输 出直流电压称之为DC-DC变换。
和不隔离型。隔离型DC-DC变换器按电力半导体器件的个 数可分为：单管DC-DC变换器[单端正激（Forward）、单 端反激(Flyback)]；双管DC-DC变换器[双管正激(Double transistor forward converter)、双管反激（Double transistor flyback converter）、推挽电路（Pushpull converter）和半桥电路（Half-bridge converter） 等]；四管DC-DC变换器即全桥DC-DC变换器（Full-bradge converter）。不隔离型主要有降压式（Buck）变换器、 升压式（Boost）变换器、升降压式（Buck-Boost）变换 器、Cuk变换器、Zeta变换器、Sepic变换器等。
2019-11-16
谢谢你的观看
6
2 DC-DC变换分类： 1）按激励方式划分。由于电力半导体器件需要激励信号，
按激励方式划分为它激式和自激式两种方式，它激式DCDC变换中有专业的电路产生激励信号控制电力半导体器件 开关；自激式变换中电力半导体器件是作为振荡器的一部 分（作为振荡器的振荡管）。 2） 按调制方式划分。目前在变換中常使用脉宽调制和频率 调制两种方式，脉宽调制PWM（pulse width modulation） 是电力半导体器件工作频率保持不变，通过调整脉冲宽度 达到调整输出电压。频率调制PFM（pulse frequent modulation）是保持开通时间不变，通过调节电力半导体 器件开关工作频率达到调整输出电压。频率调制在DC-DC 变换器设计中由于易产生谐波干扰、且滤波器设计困难。 脉宽调制与频率调制相比具有明显的优点，目前在DC-DC 变换中占据主导地位。还有混合式，即在某种条件下使用 脉宽调制（PWM），在另一条件下使用频率调制（PFM）。 3）按储能电感与负载连接方式划分。可分为串联型和并联 型两种。储能电感串联在输入输出之间称之为串联型；储 能电感并联在输出与输入之间称之为并联型。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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
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。
图5-17
Boost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5-18 Boost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) Boost 电路电流波形 b) Boost开关周期平均等效电路电流波形
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
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
了十分有效的工具。由于DC/DC变换器的小信号交流等效电路
形式并非唯一，本章还介绍了统一电路模地讨论DC/DC变换器系统的 稳定性及环路设计的基础概念。
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
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
5.1 功率变换器动态建模的意义 20世纪，功率器件经历了从结型控制器件如晶闸管、功率GTR、
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
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
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
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
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
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
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) 输出电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
5.4 调制器的模型
图5-46
Buck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5-49
DC/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
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5-12 DC/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5-13 Boost变换器与开关网络 a) Boost变换器 b) 开关网络
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-24 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
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模方法。
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-8
DC/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5-41 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
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，
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