现代电力电子技术(仿真) 3_2.ppt

《现代电力电子技术(仿真) 3_2.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、3.3开关电路建模与仿真方法3.3.1开关电路拓扑结构及其特点强非线性开关电路组成1．电力电子电路的非线性主电路变结构、控制器、内部状态、组成元件、负荷都具有非线性。求解困难。2．电力电子装置的混合性主电路、控制电路模数混合，负荷为机电、电化学等混合系统。3．系统模型的病态快过程与慢过程混合，时间常数相差非常大，步长选择非常困难。4．器件模型的适用性模型类别的选择造成系统仿真精度与速度的矛盾。开关电路仿真的难点：开关电路基本拓扑结构与工作方式：CCM与DCM以BUCK电路为例：电路建模的目的：控制电路，使其电压输出为预定值

2、系统干扰：输入电压纹波负载变化3.3.2平均模型法在稳态工作点附近对开关电路进行平均化，则可以看作为一个线性模型，可以使用非常成熟的线性系统分析方法。假定存在变量x，其在周期T内的平均量可以表示为：假定x(t)可微分，可积分对于电感伏安特性进行平均化对于电容伏安特性进行平均化局部平均化概念可以扩展到基尔霍夫电压定律和电流定律：其中M为回路中的支路数，N为对应节点的支路数。对于简单的电压源串联一开关器件的开关电路，进行平均化：桥式变换器平均模型例：如图所示Buck变换器中直流侧电压为24V，电感L=1mH，电容C=100µF

3、，工作于CCM模式，输出电压为9V，试求其平均模型并进行该模型的时域分析。(1)平均模型：其平均模型可以方便的以(b)给出，其平均占空比为：(2)传递函数：对电路进行Laplace变换可以得到：(3)时域分析：当输出负载电路平均值为20A，假设电路的占空比D由0.375变化至0.5，导致输出电压Uo由9V变化至12V。可知：此时的输出Uo(t)动态响应曲线见下图：假设负载电流初始平均值为2A，同样假设电路的占空比D由0.375变化至0.5，导致输出电压Uo由9V变化至12V。，此时的输出Uo(t)动态响应曲线见下图：可知此

4、时由于负载电阻R的变大，使得该系统出现二阶振荡响应，要使得响应没有超调量，必须满足：对于Io=2A时，，此时：以上所讨论的平均模型都是直流模型，就是将开关电路等效为一个频率为0的直流模型。有时为了计算上的精度以及更好分析变换器动态性能而采用在开关频率下的平均模型，称为ω平均模型，表示为：这种模型特别适用于谐振变换器的动态性能分析。3.3.3线性化模型线性化模型也叫做小信号模型，它可以简单描述系统在额定运行状态下受到小扰动后的变化过程，因此广泛应用于系统稳定性分析中。小信号模型也遵循基耳霍夫电压与电流定律：其中M为回路中的支

5、路数，N为对应节点的支路数。例：(1)如图所示Buck变换器假设其工作于CCM方式，试求其小信号模型并进行该模型的时域分析。因为该变换器工作于CCM方式，因此对应占空比D，其电感稳态平均电流为：假设在此工作点占空比D上扰动Δd引起电感电流产生扰动电流Δio，则有其小信号模型如上图所示，其等效输入电流为：最后可以得出该系统输出电压与占空比d之间关系的Laplace表示：该模型的阶跃响应如下图所示：(2)如果该Buck变换器工作于DCM方式，占空比D时的稳态输出电压和电流分别为：假设在此工作点占空比D上扰动Δd引起电感电流产生

6、扰动电流Δio，则有：其模型电路见下图：线性化模型时域仿真分析3.3.4状态空间平均模型以Buck变换器为例进行分析，通过其小信号传递函数得到状态空间平均模型。以CCM模式为例，首先定义如下变量：D－稳态工作点占空比；Uo－工作点直流输出电压；d－占空比干扰量；uo－输出电压小扰动；Ui－直流侧输入电压。如图所示，Buck变换器稳态工作时具有两种电路拓扑结构：开关导通，导通时间为DTS开关阻断，阻断时间为(1-D)TS。对于上述条件，该电路状态空间平均模型建立过程如下：1．定义状态变量向量为电感电流iL和电容电压uC：

7、状态变量，占空比、电压源的扰动量以及由此引起的输出电压扰动量分别表示为：我们假定直流侧输入电压Ui为常数，因此有ui=Ui。两种拓扑结构的状态空间模型分别为：模式1：模式2：A1和A2为状态矩阵，B1和B2为激励源向量。2．平均化：基于开关周期TS，两种电路拓扑结构的状态方程对时间加权平均后得到：3．状态变量的稳态值以及电压源和占空比假定为：其中：稳态状态变量及传递函数可以表示为：4.小扰动存在时的状态方程为忽略项xd，则有：同理，利用稳态输出Uo=CX并忽略项xd，则有：5．转换为频域：则得到小信号传递函数：其中

8、，I为单位阵，在本例中A1-A2=0并且C1-C2=0。因而CCM模式下Buck变换器的传递函数为：例：如上例中Buck变换器，分别求出当Io=20A和Io=2A时的状态空间平均模型，并进行时域分析。(1)Io=2A即负载，可得：如果占空比d由0.375变为0.5，则有：(2)Io=20A即负载，同理可