复杂开关型谐振变换器动态建模方法研究--《解放军信息工程大学》2009年硕士论文
复杂开关型谐振变换器动态建模方法研究
【摘要】：开关型功率变换器动态模型的建立是设计开关电源系统的关键。对于电路结构与工作过程复杂的开关型谐振变换器,如有源箝位推挽倍压变换器和全桥并联谐振倍压变换器,采用现有方法对其建模困难重重,难以得到准确模型,这就极大地阻碍了开关电源设计者对开关变换器的进一步研究。
本课题主要研究复杂开关型谐振变换器动态建模方法,针对这类变换器电路结构及工作过程复杂的特点,从系统辨识角度提出了一种适用于复杂开关型谐振变换器小信号建模的新方法——差分方程参数拟合法。该方法将复杂的开关型谐振变换器看作一个黑匣子,仅由黑匣子的输入、输出数据中提取信息进行建模,从而避免了直接分析变换器的工作机理,解决了一直以来对这类变换器建模难以入手的问题;而且,该方法将PWM型和PFM型开关功率变换器的小信号建模问题统一到了同一个思路上,与之前的建模方法对比,大大降低了对开关型功率变换器尤其是PFM型开关功率变换器小信号建模的难度。
本文首先对开关调压系统的的组成及各环节的动态模型进行了分析,重点研究了开关型功率变换器的电路特点;在此基础上,提出了适用于复杂开关型谐振变换器小信号建模的差分方程参数拟合法,对算法原理进行了理论推导,并阐述了该方法在PWM型和PFM型开关功率变换器小信号动态建模中的应用;然后,采用该方法对四种基本的开关型功率变换器——Buck、Boost、Buck-Boost和Cuk进行小信号建模,并将所得模型与前人采用状态空间平均法所得模型进行对比,从对比情况来看,差分方程参数拟合法所建模型比状态空间平均法所建模型精确;接着,采用该方法对复杂开关型谐振变换器——PWM型ACPDC和PFM型FPRDC成功建模,说明了该方法比状态空间平均法适用范围广,不仅适用于PWM型开关功率变换器的动态建模,而且也适用于PFM型开关功率变换器的动态建模;不仅适用于简单的开关型功率变换器的动态建模,而且也适用于复杂的开关型谐振变换器的动态建模。最后,将该方法开发为可供电源设计者使用且操作简单的开关型功率变换器模型辨识软件包。
【关键词】：
【学位授予单位】：解放军信息工程大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2009【分类号】：TM46【目录】：
表目录6-7图目录7-9摘要9-10ABSTRACT10-11第一章 绪论11-17 1.1 课题研究方向及背景11 1.2 课题研究意义11 1.3 课题研究现状11-15
1.3.1 开关型功率变换器动态建模方法综述11-12
1.3.2 几种常见的开关型功率变换器动态建模方法12-14
1.3.3 常见建模方法优缺点比较14-15 1.4 课题研究内容15 1.5 本文的结构安排15-17第二章 开关调压系统和开关型功率变换器17-23 2.1 开关调压系统17-20
2.1.1 PWM型开关调压系统的组成及各环节的动态模型17-18
2.1.2 PFM型开关调压系统的组成及各环节的动态模型18-20 2.2 开关型功率变换器的电路特点20-22
2.2.1 信号的不连续性20
2.2.2 等效电路的时变性20-21
2.2.3 动态参数的非线性21-22 2.3 小结22-23第三章 开关型功率变换器动态建模新方法23-36 3.1 开关型功率变换器小信号建模的新思路23 3.2 差分方程参数拟合法基本原理23-27 3.3 新方法的可行性在线性定常连续系统辨识中的验证27-28 3.4 新方法在辨识开关型功率变换器小信号模型中的应用28-35
3.4.1 PWM型开关功率变换器的小信号建模30-34
3.4.2 PFM型开关功率变换器的小信号建模34-35 3.5 小结35-36第四章 新方法在开关型功率变换器中的应用36-55 4.1 四种基本变换器的小信号建模及与前人所建模型的对比36-49
4.1.1 Buck变换器的小信号建模36-39
4.1.2 Boost变换器的小信号建模39-42
4.1.3 Buck-Boost变换器的小信号建模42-45
4.1.4 Cuk变换器的小信号建模45-49 4.2 复杂开关型谐振变换器的小信号建模49-54
4.2.1 PWM型开关功率变换器——ACPDC的小信号建模49-51
4.2.2 PFM型开关功率变换器——FPRDC的小信号建模51-54 4.3 小结54-55第五章 开关型功率变换器模型辨识软件包55-60 5.1 软件包模块设计55-56 5.2 GUI使用实例56-59 5.3 小结59-60结束语60-62参考文献62-65作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作65-66致谢66
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电源变换器
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技术进展：功率因数校正技术、软开关技术、荧光灯电子镇流器及手提电脑用低压输入电源。本书还在基本拓扑原理分析的基础上，对各功率变换器件的参数选择和变换器波形进行了定量分析，并给出了不同拓扑电路的设计实例。
本书可以作为学习、研究高频开关电源的高校师生的教材，也可作为从事开关电源设计、开发的工程师的设计参考资料。目录:第1部分 拓 扑 分 析
第1章 基本开关型调整器—— buck、boost及反相型...
内容简介本书系统地论述了开关电源电路的功率转换和脉宽调制原理、磁性元件的设计原则及闭环反馈的稳定性和驱动保护等内容。书中同时介绍了高频开关电源方面的最新技术进展：功率因数校正技术、软开关技术、荧光灯电子镇流器及手提电脑用低压输入电源。本书还在基本拓扑原理分析的基础上，对各功率变换器件的参数选择和变换器波形进行了定量分析，并给出了不同拓扑电路的设计实例。本书可以作为学习、研究高频开关电源的高校师生...
《开关电源的原理与设计》 张占松，蔡宣三著
第1篇 PWM开关变换器的基本原理
第1章 开关变换器概论
1.1 什么是开关变换器和开关电源
1.2 DC-ＤＣ变换器的基本手段和分类
1.3 DC-DC变换器主回路使用的元件及其特性
1.3.1 开关
1.3.2 电感
1.3.3 电容
1.4 DC-DC变换器发展历程、现状和趋势
1.4.1 开关电源技术发展...
的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。 2.2 通信用高频开关电源 通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次...
应用技术》从实用角度出发，全面、深入、系统地介绍了各种新型特种集成电源的工作原理与应用技术。主要内容包括：苊准电压源，集成恒流源，小功率AC／DC、DC／DC电源变换器，三端单片开关电源，多端单片开关电源，开关电源模块，单片开关电源的设计，单片开关式集成稳压器，由PWM和PFM调制器的构成的开关电源，微机电源及监控电路。
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1.3.1 开关
1.3.2 电感
1.3.3 电容
1.4 DC-DC变换器发展历程、现状和趋势
1.4.1 开关电源技术发展的历程
UFS电源(3―10k1FA：2．1 基本工作原理及主要技术特性2．2 H8微处理器的控制功能2．3 UPS逆变器的脉宽调制及自动稳压控制电路2．4 UPS逆变器的输出过载自动调整和自动保护电路2．5 市电同步跟踪及直流母线电源调控电路2．5．1 UPS的市电同步跟踪电路2．5．2 直流母线电源调控电路2．6 UPS的外部控制信号2．7 UPS电源的外部通信接口2．8 谐振变换器2．8．1 谐振...
，所以可以用于高电压的场合。由于引入了高频变压器极大的增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效的扩大了变换器的使用范围。单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。在计算机、通讯、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求。当今，节能和环保已成为全球对耗能设备的基本要求。所以，供电单元的效率和电磁兼容性自然成为开关电源的两项...
随着电力电子技术的迅速发展，双向DC/DC变换器的应用日益广泛。尤其是软开关技术的出现，使双向DC/DC变换器不断朝着高效化、小型化、高频化和高性能化的方向发展，软开关技术的应用可以降低双向DC/DC变换器的开关损耗，提高变换器的工作效率，为变换器的高频化提供可能性，从而减小变换器的体积，提高变换器的动态性能。双向DC/DC变换器在直流不停电电源系统、航空电源系统、电动汽车等车载电源系统、直流...
，对于那些要求输入电压可变或者输入电压不标 准的场合，可以选用具有宽电源输入范围的产品。变换器的输出端有单路、双路、三路等形 式，有的产品还提供四路输出。 不同的产品，输出电压也不尽相同，变换器通常输出 1.2～24V 的标准电压。电压调整率 是衡量变换器带负载能力的重要指标，如果需要同时带多路负载，那么就要求变换器可以很 好地平衡各路不同大小的负载。隔离度 绝大多数的电路都必须实现隔离， 即将负载连同负载...
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脉宽调制DC／DC全桥变换器的软开关技术
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，防止该电流通过二次侧耦合到大地。19.Y电容—能滤除电网之间串模干扰，常用于EMI滤波器中。三、电感器：1.滤波电感—构成LC型滤波器。2.储能电感—常用于降压式或升压式DC/DC变换器电路中。3.振荡电感—构成LC型振荡器。4.共模电感—亦称共模扼流圈，常用于EMI滤波器中，对共模干扰起到抑制作用。5.串模电感—亦称串模扼流圈，它采用单绕组结构，一般串联在开关电源的输入电路中。6.频率补偿电感...
（2）传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
（3）敏感器件。指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。干扰的分类 1干扰的分类干扰的分类有好多种，通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性等等进行不同的分类。按产生的原因分：可分为放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声。按传导方式分：可分为共模噪声和串模...
数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点.数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成.D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关...
这么多的器件，即使都是低功耗可关断的器件，那你的系统每次工作时都要启动所有的器件才能运转起来，这个启动过程是多长呢?还有您的单片机不会工作在12V的，你还需要一个电压变换器，它平时不用电的吗?你的CMOS单稳不用电的吗?据我所知常用的485，232，modem，flash都不是低功耗可关断的，如果您都使用的是特殊器件，那实用的意义何在呢?或者您使用了其他器件来控制这些耗电多的设备，那您一定是硬件...
和空间的辐射。
3、敏感器件
敏感器件指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号等。
抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。(类似于传染病的预防)
1、抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要...
、设备或信号, 用数学语言描述如下：du/dt, di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
&&（2）传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
&&（3）敏感器件。指容易被干扰的对象。如：A/D、 D/A变换器,单片机,数字IC,弱信号放大器...
的开关速度。
7. 振荡电容—可构成RC型、LC型振荡器。
8. 微分电容—构成微分电路，获得尖脉冲9. 自举电容—用于提升输入级的电源电压，亦可构成电压前馈电路。
10. 延时电容—与电阻构成RC型延时电路。
11. 储能电容—例如极性反转式DC/DC变换器中的泵电容。
12. 移相电容—构成移相电路
13. 倍压电容—与二极管构成倍压整流电路。
14. 消噪电容—用于滤除电路中...
)；LP单位为H。
4.变压器的气隙lg为：式中：Ae为磁芯的有效截面积(cm2)；△B为磁芯工作磁感应强度变化值(T)；Lp单位取H，IPK单位取A，lg单位为mm。
5.变压器磁芯反激式变换器功率通常较小，一般选用铁氧体磁芯作为变压器磁芯，其功率容量AP为
式中：AQ为磁芯窗口面积，单位为cm2；Ae为磁芯的有效截面积，单位为cm2；Po是变压器的标称输出功率，单位为W；fs为开关...
～直流变换器(通称高频高压)，如果高频高压电路的滤波电容性能变劣，或高压引线绝缘层老化，都可能 造成高压漏电致使扫描线逐渐暗淡。此外，示波管灯丝一端一般是通过一电阻与阴极相连的，故灯丝也处于负高压电位。若变压器绕组对地绝缘性能变差，则会造成负高压漏电，使阴极负压绝 对值减小，因而栅、阴之间电位差绝对值增大，结果造成扫描线变暗，这种故障往往与通电时间有关。要解决此问题可以重绕变压器，但比较麻烦。较简单...
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