一種新型的升_降壓型直流變換器電路仿真平均模型

1、第35卷第5期電力電子技術(shù)Vo l. 35, No. 52001年10月Po wer Electronics October, 2001一種新型的升-降壓型直流變換器電路仿真平均模型康婉瑩, 沈淼森, 錢 江, 錢照明(浙江大學(xué), 杭州 310027摘要:提出了一種新型的單開關(guān)升-降壓式(Buck -Boost 直流變換器的電路仿真平均模型。這種模型可通過輸入?yún)?shù)的選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)Buck -Boost 電路的電壓控制、峰值及平均電流控制, 以及對(duì)DCM -CCM 工作方式的統(tǒng)一。它是一種實(shí)用的仿真模型, 可方便地進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。在保證準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上, 大幅度提高了仿真的速度, 通常比用實(shí)際器件開

2、關(guān)電路的仿真速度提高兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。關(guān)鍵詞:直流變換器; 仿真; 模型中圖分類號(hào):T M 46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-100X(2001 05-0048-04A Novel Average Model for Unified Buck -Boost DC /DC ConverterKANG Wan -y ing, SHEN M iao -sen, QIAN Jiang, Q IAN Zhao -m ing(Zhej iang Univ ersity , H angz hou 310027, ChinaAbstract:A novel average model for singl

3、e switch Buck -Boost DC/DC converter has been giv en. Voltage control mode, peak cur rent co ntrol mode and average current control mode can be varied easily by changing the parameter o f the average model. T his model can unify cont inuous conduction mode (CCM and discontinuous conduction mode (DCM

4、 . I t can be used to do static and dynamic circuit analysis. By using this average model the simulation speed can be improved by 23or der compar ing with the using of sw itched model.Keywords:DC/DC co nverter; sinulation; model1 引 言PWM 變換器中, 器件工作在開關(guān)狀態(tài), 隨著開關(guān)頻率的提高, 用常用的開關(guān)電路模型進(jìn)行仿真, 需要的仿真時(shí)間也將增加。在有些應(yīng)用場(chǎng)合

5、(如高頻開關(guān)PFC, 諧振變換器等 甚至?xí)?dǎo)致仿真不收斂。即使在開關(guān)頻率不高的場(chǎng)合, 若要同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的閉環(huán)控制仿真, 則仿真時(shí)間將會(huì)長(zhǎng)得使人難以忍受, 因此限制了電路仿真的實(shí)際應(yīng)用。在許多實(shí)際應(yīng)用中, 人們關(guān)心的往往是整個(gè)系統(tǒng)(或電路 的整體性能, 并不需要了解系統(tǒng)在閉環(huán)工作時(shí)每個(gè)具體器件的開關(guān)波形, 這時(shí)為了提高仿真速度, 就可以用平均模型。但是由于平均模型往往因致力于簡(jiǎn)化導(dǎo)致了平均模型電路與實(shí)際電路在電路結(jié)構(gòu)上差別很大, 使用者往往感覺不到它與實(shí)際電路的聯(lián)系, 實(shí)際應(yīng)用存在諸多困難。SPICE 是一種宏模型的仿真工具, 在許多情況下, 一個(gè)描述基本現(xiàn)象的簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式就需要用相當(dāng)復(fù)雜的

6、電路方式實(shí)現(xiàn)。因此有時(shí)會(huì)在輸入、輸出端口的銜接上出現(xiàn)困難, 或在運(yùn)算過程中出現(xiàn)收稿日期:2001-05-29定稿日期:2001-07-10作者簡(jiǎn)介:康婉瑩(1976- , 女, 山東濱州人, 碩士, 研究方向?yàn)楣β首儞Q器建模, 電子鎮(zhèn)流器。迭代不收斂。而在另一種建模方法行為描述模型法中, 系統(tǒng)可以用一種行為描述語言加以描述。這種方法比宏模型法更高效、更靈活。本文基于這種建模方法首次提出了一種新的基于SABER 仿真工具的通用的升 降壓直流變換器電路仿真平均模型Buck -Boost -Avg 。系統(tǒng)的仿真模型采用了行為描述語言MAST 。該平均模型將各電壓、電流等在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行平均, 忽

7、略開關(guān)過程細(xì)節(jié), 從而使運(yùn)算速度加快(一般比開關(guān)模型快兩到三個(gè)數(shù)量級(jí) 。只須改變參數(shù)的賦值, 模型不但可適應(yīng)電壓控制、峰值電流控制以及平均電流控制等不同的控制要求, 而且能夠?qū)崿F(xiàn)DCM 和CCM 工作方式的統(tǒng)一, 并且可進(jìn)行大信號(hào)和小信號(hào)分析, 為實(shí)際變換器全工作過程的仿真分析提供了一種很有力的手段。2 建模原理Buck -Boost 電路可分為功率級(jí)和控制環(huán)兩部分。提出的模型將圖1所示的功率級(jí)和控制環(huán)中的調(diào)制器合為一個(gè)功率模型模塊, 而控制環(huán)的電壓放大器、電流放大器等環(huán)節(jié)則另構(gòu)成控制環(huán)模型。這樣使用者可根據(jù)需要采用不同的控制環(huán)拓?fù)? 并便于在查錯(cuò)過程中觀察控制環(huán)各節(jié)點(diǎn)電量的波形。功率級(jí)中電感

8、L 的電流變化正比于L 兩端的電壓。圖2為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流的波形。圖一種新型的升-降壓型直流變換器電路仿真平均模型2a 為DCM 時(shí)的波形, 圖2b 為CCM 時(shí)的波形。針對(duì)圖2b 所示的CCM 模式進(jìn)行分析, 可得流入電容電流如下式所示:I pk +I n U cD 2-2R從圖2b 中可得到如下關(guān)系式:I c =I L =I g +D 1$I r /2+D 2$I r -D 2$I f /2I pk =I g +$I r(7 (8 (9 (10圖1 Buck -Boost 直流變換器的功率級(jí)I n =I pk -$I f式中 $I r =U u p D 1T s /L$I f =U

9、off D 2T s /L其中T s 為開關(guān)周期, L 為電感量, 上述各式是針對(duì)CCM 情況而言的, 但事實(shí)上, 它們對(duì)DCM 情況同樣適用。對(duì)于DCM :$I r =$I f =I pk I g =I n =0(11 所以:I L =0+D 1$I r /2+D 2$I r -D 2$I f /2I pk =(D 1+D 2 (12 2U on D 1T sI pk =0+$I r =(13 L顯然, 得出了與DCM 條件下相同的分析結(jié)果, 因此該模型實(shí)現(xiàn)了CCM 與DCM 的統(tǒng)一。根據(jù)上述各式, 可以得出相關(guān)各電路參數(shù), 求得電路功率級(jí)圖2 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流的波形由圖可見:當(dāng)開關(guān)S

10、 閉合時(shí)電感電流線性增大; 當(dāng)二極管VS 閉合時(shí)電感電流線性減小。L式中 U onU off模型。對(duì)于控制模式建模, 本模型的實(shí)現(xiàn)方法與文獻(xiàn)5中相同, 可實(shí)現(xiàn)電壓控制、峰值電流控制、平均電流控制, 綜合上述分析, 可以得出整個(gè)電路的平均模型。$i L=U L =U on D 1+U o ff D 2+0D 3S 閉合時(shí)電感兩端的電壓S 斷開時(shí)電感兩端的電壓(13 應(yīng)用舉例圖3為用本文提出的Buck -Boost 平均模型進(jìn)行平均電流控制模式仿真分析時(shí)用的模型電路。Buck -Boost -Avg 共6個(gè)輸入、輸出端口, 左側(cè)兩端口分別接輸入直流電源和電感器, 右側(cè)兩端口分別為輸出電壓和地, 另

11、外兩端口則留作與電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)連接。輸出電壓引出端的比例放大器及分壓電阻控制輸出電壓。分別用平均模型電路進(jìn)行直流分析、瞬態(tài)分析以及交流小信號(hào)分析。電路參數(shù)為U in =15V, L =0. 05mH, f s =10kH z, 輸出電壓設(shè)定值為10V 。圖4中u out (bbav 給出了輸出電壓的瞬態(tài)分析結(jié)果。圖5、6、7分別給出了電壓控制、峰值電流控制和平均電流控制模式平均模型仿真電路中, 控制誤差電壓u c 對(duì)電感電流i L 的傳遞函數(shù)i L /u c 的交流小信號(hào)分析結(jié)果。說明提出的新型平均模型Buck -Boost -Avg 既可用于電壓控制模式, 也可用于峰值電流控制模式和

12、平均電流控制模式的電路仿真。對(duì)于該電路, U on =U in , U off =-U out 因此開關(guān)斷續(xù)狀態(tài)下平均電感電流為:on 1pk(D 1+D 2 I pk =I L =f s L 2式中 f s(2由(2 式可得:D 1+D 2=L s U on D 11D 1(3D 2=(D 1+D 2 -D 1(4 D 3=1-D 1-D 2(5上述各式中的輸出電壓U off , 即電容電壓U c可以根據(jù)下式求得:t U c =i d t +U c0(6 C 0c式中 C 電容的容量U c0 電容初始電壓 i c 輸入電容電流 第35卷第5期電力電子技術(shù)Vo l. 35, No. 52001

13、年10月Po wer Electronics October, 2001圖7 平均電流控制模式平均模型仿真電路,信號(hào)i L /u c 的交流小信號(hào)分析結(jié)果圖3 平均電流控制模式平均模型仿真電路4 與理想元件級(jí)開關(guān)模型電路的仿真比較圖8為相應(yīng)的用理想元件構(gòu)成的開關(guān)模型電路, 采用平均電流控制。可以看出圖3和圖8的控制電路部分是相同的。所提出的Buck -Boost 平均模型將調(diào)制器包含在模型之中, 因而圖3中不需要加入圖8中的調(diào)制器部分, 圖8中功率級(jí)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路在圖3電路中也可以省略。對(duì)圖8電路進(jìn)行直流分析、瞬態(tài)分析以及交流小信號(hào)分析并與第三節(jié)中的仿真結(jié)果進(jìn)行比較, 以驗(yàn)證所提出的新型平 均

14、模型的正確性和有效性。圖4 平均電流控制模式電路與Buck -Boost 平均電流控制模式電路開關(guān)模 型瞬態(tài)分析仿真結(jié)果比較圖5 電壓控制模式平均模型仿真電路,信號(hào)i L /u c 的交流小信號(hào)分析結(jié)果圖8 Buck -Boost 平均電流控制模式電路開關(guān)模型仿真電路圖4u out 給出了理想元件構(gòu)成的開關(guān)模型電路采用平均電流控制時(shí)的輸出電壓的瞬態(tài)分析結(jié)果。與圖中平均模型電路仿真結(jié)果u out (bbav 比較可見, 平均模型忽略了開關(guān)周期內(nèi)的高頻變化, 其輸出準(zhǔn)確地反映了開關(guān)模型的仿真結(jié)果以開關(guān)周期為單位圖6 峰值電流控制模式平均模型仿真電路,信號(hào)i L /u c 的交流小信號(hào)分 析結(jié)果的平

15、均。圖9給出了平均模型峰值電流模式控制電路當(dāng)電路在t s =0. 002秒時(shí), 工作狀態(tài)從CCM 過渡到一種新型的升-降壓型直流變換器電路仿真平均模型DCM 時(shí)電感電流的變化, 電路參數(shù)為:U in =15V, L =0. 32mH , f s =40kHz 。由圖可見平均模型電路電感電流仿真結(jié)果準(zhǔn)確地反映了開關(guān)模型電感電流的仿真結(jié)果以開關(guān)周期為單位的平均。說明本文提出的平均模型Buck -Boost -Avg 同樣也能實(shí)現(xiàn)CCM 過渡到DCM 的仿真的需要。時(shí)間將更長(zhǎng)。表1 采用不同模型時(shí)的仿真時(shí)間對(duì)照模式電壓控制模式峰值電流控制模式平均電流控制模式平均模型Buck -Boost -Avg

16、0. 883s0. 617s 0. 850s理想元件構(gòu)成的開關(guān)模型157. 5s 122. 4s 168. 5s5 結(jié) 論文中提出的單開關(guān)升-降壓式直流變換器Buck -Boost 的平均模型可通過輸入?yún)?shù)的選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)Buck -Boost 的電壓控制、峰值及平均電流控制, 以及DCM -CCM 工作方式的統(tǒng)一, 可進(jìn)行直流, 交流及小信號(hào)分析, 同時(shí)大大提高了仿真速度, 是一種高效且廣泛適用的仿真工具。所提出的模型方法同樣也可用于其它的直流變換器電路, 從而得到相應(yīng)的平均模型。參考文獻(xiàn):1Vorper ian. V. Simplified A nalysis of PWM Conv erte

17、rs U sing t he M odel of P WM Sw itchJ.Proceeding of the Vir ginia Pow er Electronics Center Seminar. Blackburg, VA, 1989:120. 2(a 電感電流; (b 電感電流; CCM 到DCM 轉(zhuǎn)折處的放大圖9 當(dāng)電路工作狀態(tài)在2ms 時(shí)由CCM 變?yōu)镈CM 電感電流的變化情況圖中虛線為采用Buck -Boost -Av g 時(shí)的計(jì)算結(jié)果3Bello. V. U sing the SPICE2CAD Package to Simulate and Design the Curre

18、nt M ode Co nverter J.Powerco n, 1984(11 :H2.Dix on. L. . Spice Simulation of Switching Power Supply Per for mance Z. U nitrode Sw itching Regulated Pow er Supply Design Seminar M anual. 1991:1-11-14. 4Lee. Y. S. , et al. A New A pproach to the M odeling of Conver ters for SP ICE Simulation J. IEEE T rans. on Pow. Electron. , 1992, 7(4 :741753. 5任遠(yuǎn)程等. 一種新型通用升壓型直流變換器電路仿真平均模型J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2000, 12(2 :9599.表1中列出的是分別利用平均模型