开关电源团圆时域法仿真
开关电源有源功率因数校正电路的设计与仿真研究_毕业设计论文
开关电源有源功率因数校正电路的设计与仿真研究摘要本文对Boost型功率因数校正技术进行了分析、设计和研究。
详细分析了有源功率因数校正器的基本工作原理，通过比较几种不同拓扑的PFC变换器主电路的优缺点，和比较控制电路的几种不同控制方法的优缺点，明确本文所要研究的对象为平均电流控制（ACM）的Boost型功率因数校正器。
在此基础上对Boost主电路和控制电路进行数学建模，得出其状态方程和传递函数，运用仿真软件MATLAB中的Simulink工具，建立了Boost主电路和控制电路的Simulink仿真模型，并得出其仿真结果。
本文根据Boost变换器的特点和要求，设计了一个具体、实用的带PFC功能的开关电源电路，并给出了具体设计步骤和电路参数的计算。
平均电流控制的单相Boost功率因数校正电路，完全能够达到整流、高输入功率因数、升压、稳压、低纹波的目标，具有广阔的应用前景。
关键词：功率因数校正；Boost变换器；仿真AbstractBased on the summary of the fruits of the research of the Active Power Factor Correction, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme, is well studied in this thesis.According to the principle and the discussion of the single-phase active power correction, concluding different structures of the main circuit and methods of the controllers, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme is indicated as the developing direction of PFC and regarded as PFC system structure.Then, the state differential equations of ideal Boost converter and the general transfer functions of PWM converter are deduced and the simulation models of ideal converter are showed using MATLAB.Besides, we design a practical circuit with the function of PFC, giving discrete design steps and the calculation of the circuit parameters.Finally, we can conclude that the PFC system which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme can achieve good performance, which can be used widely in the future.Key words: PFC (power factor correction); Boost converter; Simulation目录第1章绪论 (1)1.1 课题研究意义 (1)1.2 功率因数 (1)1.3 功率因数校正方法 (2)1.4 本文所做的主要工作 (4)第2章有源功率因数校正技术 (5)2.1 APFC原理 (5)2.2APFC技术分类 (6)2.3有源功率因数校正的主电路拓扑 (6)2.4有源功率因数校正技术的工作模式 (7)2.5有源功率因数校正技术的控制策略 (9)第3章APFC电路的设计 (14)3.1APFC电路的选择 (14)3.2APFC电路的参数设计 (15)3.3本章小结 (20)第4章APFC电路的仿真分析 (21)4.1MATLAB简介 (21)4.2APFC主电路的仿真 (22)4.3Boost型APFC电路的仿真 (25)4.4APFC电路的优化设计 (30)4.5本章小结 (33)结论 (34)参考文献 (35)致谢 (36)第1章 绪 论1.1 课题研究意义随着电子科学技术的发展和应用，电子设备的种类越来越多，其中电源已经成为这些电子设备不可缺少的一部分。
开关电源的环路设计及仿真
1 基本理论开关电源的输出电压Vo是由一个控制电压Vc来控制的，即由Vc与锯齿波信号比较，产生PWM波形。
根据锯齿波产生的方式不同，开关电源的控制方式可分为电压型控制和电流型控制。
电压型的锯齿波是由芯片内部产生的，如LM5025，电流型的锯齿波是输出电感的电流转化成电压波形得到的，如UC3843。
对于反激电路，变压器原边绕组的电流就是产生锯齿波的依据。
输出电压Vo与控制电压Vc的比值称为未补偿的开环传递函数Tu，Tu=Vo/Vc。
一般按频率的变化来反映Tu的变化，即Bode图。
电压型控制的电源其Tu是双极点，以非隔离的BUCK为例，形式为：电流型控制的电源其Tu是单极点，以非隔离的BUCK为例，形式为：各种电路的未补偿的开环传递函数Tu可以从资料中找到。
本讲座的目的是提供一种直观的环路设计手段。
2 计算机仿真开关电源未补偿的开环传递函数Tu2.1 开关平均模型开关电源的各个量经平均处理后，去掉高频开关分量，得到低频(包括直流)的分量。
开关电源的建模、静态工作点、反馈设计、动态分析等都是基于平均模型基础之上的。
若要得到实际的工作波形，应按实际电路进行时域仿真(Time Transient Analysis)。
将开关电路中的开关器件经平均化处理后，就得到开关平均模型，用开关平均模型可以搭建各种电路。
以下是几个开关电源的平均模型仿真例子，从电路波形中看不到开关量，只是平均量，比如电感中流过的电流是实际电感中的电流平均值，电容两端的电压是实际电容两端电压的平均值等等。
2.1.1 CCM BUCK(连续模式BUCK)先直流扫描Vc，得到所需的输出电压，即得到了电路的静态工作点。
然后交流扫描，得到Tu的Bode图。
Tu为双极点。
此处Vc等同于占空比d。
2.1.2 DCM BUCK(断续模式BUCK)按以上方法得到Tu，在DCM下，Tu变成单极点函数。
模型CCM-DCM即可用于连续模式，也可用于断续模式。
此处Vc仍等同于占空比d。
开关电源的电路仿真分析(建模)方法
开关电源的电路仿真分析（建模）方法电路仿真分析方法主要有：状态变量法、节点分析法、改进的节点分析法、状态空间平均法等。
1）以状态变量法为基础的仿真技术状态变量法可以很容易地得到电路的瞬态性能，并评价电路的稳定性。
状态变量法是以电路中某些支路的电压和电流当做状态变量建立电路的状态方程。
一般是取电容上的电压和电感中的电流作为未知的状态变量，然后再用图论的方法列出方程，来决定每一电路的固有树（Proper Tree）。
电路各变量并不直接包含在状态变量中，而是利用一组显式代数方程求出。
对于开关转换器这样的离散电路，应首先列出电路的分段线性状态方程，而后求状态转移规律，并由此导出描写电路的非线性差分方程，此法称为离散时域法。
美国VIRginia 电力电子中心开发的面向系统的开关转换器仿真软件COSMIR 就属于这一类型。
它将开关器件理想化，转换器的每一个运行模式都由一组线性时不变状态方程描述，在考虑开关条件以后，用直接数字积分法或解析法求解，可以快速地得到稳态响应或大信号瞬态响应。
也有的以网孔法或节点法为基础而建立的离散时域法仿真程序。
以状态变量法为基础的仿真技术的缺点是：不能与SPICE 等通用电路仿真程序兼容；由于开关器件理想化，不能分析器件开通或关断瞬间开关器件上的电应力变化。
2）以节J 点分析法为基础的仿真技术以节点分析法为基础的仿真技术可以应用于电力系统等大系统的仿真，有EMTP、ATP、PECAN 等程序。
EMTP 是电力系统瞬态分析的工具，￣｛＼TP 则是功率转换器和电力传动的仿真工具。
PECAN 是专用于仿真电力电子闭环系统的分析程序。
以节点分析法为基础仿真电力电子电路，其主要的缺点是：处理电源不充分，不能包含与电源有关的元件；不便得到支路电流；难以实现有效的数字积分；分析线性电路的零、极｀点要用特殊技术；难以快速分析电力电子电路的稳态等。
3）以改进的节J 点分析法为基础的仿真技术对节点分析法进行改进，引入适当的支路电流，并包括电压源及各种与电流有关的元件，相应的支路关系成为附加电路方程，部分地改善了上述节点分析法的一些缺点。
开关电源的pspice仿真_原创
传递函数：
波特图：
那补偿时到底 如何放置零极点？
SWJTU
24
2009
SMPS Pspice Simulations
环路补偿K因子算法在PSpice中的应用
1980年Dean Venalbe提出了k因子的概念。算法的思想是让零极点保持必 要的距离，通过预先设定的交越频率 fc，并且在交越频率点得到设定的相 位裕度。 设计目标：带宽 5KHz 相位裕度 >45°
40
0
SEL>> -40 DB(V(R:2)) 0d DB(V(LAPLACE1:OUT))
-100d
-200d 1.0Hz P(V(R:2))
10Hz P(V(LAPLACE1:OUT))
100Hz
1.0KHz Frequency
10KHz
100KHz
1.0MHz
12
2009
SWJTU
SMPS Pspice Simulations
18
2009
SWJTU
SMPS Pspice Simulations
电压模闭环控制分析
19
2009
SWJTU
SMPS Pspice Simulations
� 电压模闭环控制原理图（开关模型）
L Qp Rf1 Vg(t) Qn C Rf2 R
Slope
Out +
Vc
C(s) R(s) Vref
20
� 参数扫描 ----只需在原理分析的基础上添加扫描项
40
0
-40 DB(V(R:2)) 0d
-100d
SEL>> -200d 1.0Hz P(V(R:2))
10Hz
开关电源DCM和CCM工作模式及仿真
整流 脉冲电
滤波
稳压直流电
2013/7/7
5
一、什么是开关电源（3）
开关电源：泛指，电路中电力电子器件工作在高频 开关状态的直流电源。
– 电力电子器件工作在开关状态，损耗很小，因此整机效率高 – 其隔离和电压变换的变压器T是高频变压器，体积大大缩小，重
量大大减轻 – 输出直流电压可高可低
Specs: 48Vdc to 9.6Vdc/53A, Eff.=96.8%, Power Density: 19W/cm3 (312.3W/in3).
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一、什么是开关电源（7）
高效率电源的需求
应用管理器
公用电网
微型发电机
整流器 应用管理器
DC/DC
逆变器
DC/DC
DC/DC
直流负载
不断的增加功率密度和更高的工作效率。数字控制开关电源技术日 益得到广泛应用
2013/7/7
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一、什么是开关电源（6）
High f/Eff./Power Density Conversion
Single Module
3 Modules On The Bench
500W Quarter Brick Bus Converter
20kHz – 20世纪80年代：IGBT功率MOSFET的出现——大功率开关电源开始
广泛应用 – 20世纪80年代开始：软开关技术的发展——开关频率不断得到突破，
100kHz，1Mhz，10MHz……。 – 20世纪90年代：功率因数校正电路——绿色电源（对电网无污染） – 21世纪：电力电子电磁兼容技术发展、磁集成技术得到大力发展，
L I L2
Ts
开关电源环路稳定的实验方式方法
开关电源环路稳定的实验方式方法6.5 开关电源环路稳定的试验方法前面频率特性分析方法是以元器件小信号参数为基础，同时在线性范围内，似乎很准确。
但有时很难做到，例如电解电容ESR不准确且随温度和频率变化；电感磁芯磁导率不是常数，还有由于分布参数或工艺限制，电路存在分布参数等等，使得分析结果不可能完全吻合，有时甚至相差甚远。
分析方法只是作为实际调试的参考和指导。
因此，在有条件的情况下，直接通过测量运算放大器以外的环路的频率响应，根据6.4节的理论分析，利用测得的频率特性选择Venable误差放大器类型，对环路补偿，并通过试验检查补偿结果，应当说这是最直接和最可靠设计方法。
采用这个方法，你可以在一个星期之内将你的电源闭环调好。
前提条件是你应当有一台网络分析仪。
6.5.1 如何开环测试响应桥式、半桥、推挽、正激以及Buck变换器都有一个LC滤波电路，输出功率电路对系统性能影响最大。
为了讨论方便，以图6.31为例来说明测试方法，重画为图6.48(a)。
电路参数为：输入电压115V，输出电压为5V，如前所述，滤波电感和电容分别为L=15μH，C=2600μF，PWM控制器采用UC1524,它的锯齿波幅值为3V，只用两路脉冲中的一路，最大占空比为0.5。
为了测量小信号频率特性，变换器必须工作在实际工作点：额定输出电压、占空比和给定的负载电流。
从前面分析知道，如果把开关电源看着放大器，放大器的输入就是参考电压。
从反馈放大器电路拓扑来说，开关电源的闭环是一个以参考电压为输入的电压串联负反馈电路。
输入电源的变化和/或负载变化是外界对反馈控制环路的扰动信号。
取样电路是一个电阻网络的分压器，分压比就是反馈系数，一般是固定的（R2/(R1+R2)）。
参考电压（相应于放大器的输入电压）稳定不变，即变化量为零，输出电压也不变(5V)。
如上所述，所有三种误差放大器都有一个原点极点。
在低频闭环时，由于原点极点增益随频率减少而增高（即在反馈回路电容）在很低频率，有一个最大增益，由误差放大器开环增益决定。
开关电源的模拟仿真
本章节主要论述如何对实际电路建立模 型，并使用电脑模拟仿真软件来对实 际电路进行仿真分析，研究电路特性 和进行电脑模拟实验以达到对新开发 电路的性能的评估及潜在风险的分析 理解． 本章以正激变换器为例，介绍包含有Ａ Ｃ输入整流，基本正激变换部分，输 出部分电路的模拟仿真以及获得有关 工作波形的过程以便让学生得到一个 关于模拟仿真的感性认识，在以后实 际工作中能结合ＰＳＰＩＣＥ的操作 说明进行简单单元电路的仿真分析．
输入整流电路的模拟仿真
• 仿真模拟输出电压
仿真模拟输入电流
5
输入整流电路的模拟仿真
• 改变负载电阻阻值(50—1K)仿真结果
ห้องสมุดไป่ตู้
不同的负载时的输入 电流也有所不同
基本变换器部分的模拟仿真
• 开环的模拟仿真 • 正激变换器开环等效电路
方波发生器 20KHz,30%,15V 输入电压,以直流形式
6
基本变换器部分的模拟仿真
开关电源的模拟仿真
• • • • • • • • • • • • • 1.几种电路仿真器的介绍 １．ＳＰＩＣＥ简介 ２．ＭｕｌｔｉＳＩＭ简介 ３．Ｍａｔｌａｂ简介 ２．输入整流滤波电路的仿真 １．输入整流滤波电路模型 ２．仿真结果 ３．仿真波形解说 ３．基本变换器部分的模拟仿真 １．未施加反馈的模拟仿真 ２．施加反馈的模拟仿真 ３．仿真结果和波形解说 ４．仿真器问题归纳和总结
基本变换器部分的模拟仿真
• 1mS内的仿真结果波形:
驱动电压和电流波形
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基本变换器部分的模拟仿真
• 1mS内的仿真结果波形 MOSFET漏极电压,电流波形
基本变换器部分的模拟仿真
• 1mS内的仿真结果波形 漏极电压波形放大图 漏极电流波形放大图
开关电源电路的分析和仿真研究
开关电源电路的分析和仿真研究开关电源是一种将输入电压变换为特定输出电压的电子电路。
它由开关器件、能量存储元件和控制电路组成。
开关电源具有高效率、小体积、适应性强等特点，已广泛应用于各种电子设备和系统中。
对于开关电源的分析和仿真研究，主要可以从以下几个方面展开：1.电路拓扑结构的选择：开关电源有多种拓扑结构，例如单端、双端和反激式等。
选择合适的拓扑结构将对电路的性能和可靠性产生重要影响。
在分析和仿真研究中，可以比较不同拓扑结构的优缺点，选择最适合特定应用需求的拓扑结构。
2.开关器件的选型与参数设计：开关器件是开关电源的核心元件，常见的有晶体管、MOSFET和IGBT 等。
在分析和仿真研究中，可以通过比较不同开关器件的特性和参数，选取性能优良、适用于设计要求的开关器件，并进行关键参数的设计与优化。
3.能量存储元件的选择与设计：能量存储元件主要包括电感和电容，用于存储和传输能量。
在分析和仿真研究中，可以通过合理选择和设计能量存储元件，实现输出电压的稳定性、纹波和转换效率的优化。
4.控制电路的设计与仿真：开关电源的控制电路主要包括开关驱动、反馈控制和保护电路等。
在分析和仿真研究中，可以通过合理设计控制电路，实现开关器件的合理驱动和输出电压的精确控制，并保证电路的安全可靠性。
对于开关电源的分析和仿真研究，可以使用专业的电路仿真软件，如Matlab/Simulink、PSPICE等进行建模和仿真。
通过调整电路参数、拓扑结构和控制策略等，可以对开关电源的性能进行全面评估和优化，并提出具体的改进方案。
总之，开关电源的分析和仿真研究是设计和优化开关电源的重要步骤，可以通过合理的电路设计和仿真分析，实现开关电源的性能优化和应用需求的满足。
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zso123
性，直接由电路仿真，不须要列出电路 的方程式，只须要遵照规则的胳式输人， 就可以对开关稳压电源或开关转换器进 行仿真，并得到瞬
态时域响应或频域特性。但这种仿真方 法的缺陷是盘算效率低、仿真时间长。 用SPICE和PSPICE仿真的实际根据是状态 空间均
匀法，当扰动信号的频率比开关频率低 很多时，能保障肯定的仿真正确度。但 更正确的仿真方法是团圆时域法。深圳 电源从实质上来看，
开关电源是一个团圆的非线性系统，假 如利用状态空间列出非线性系统的分段 线性方程用盘算机求解，可以对比正确 地进行分析研究，这
就是所谓团圆时域仿真法。团圆时域法， 可以对多环控制系统进行仿真，以到达 实现不同的控制法则，快速、正确、高 效率地研究电路变
更和（或）元器件参数变更时对系统瞬 态特性的影晌。可以用来仿真稳态过程 （如电压、电流的纹波等）、大信号响 应（如启动过程等）