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。
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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