第5章 DC／DC變換器動(dòng)態(tài)模型與控制

1、現(xiàn)代電力電子學(xué)第5章DC/DC變換器的動(dòng)態(tài)模型與控制第5章DC/DC變換器的動(dòng)態(tài)模型與控制5.1功率變換器動(dòng)態(tài)建模的意義5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型5.3統(tǒng)一電路模型5.4調(diào)制器的模型5.5閉環(huán)控制與穩(wěn)定性5.6本章小結(jié)20世紀(jì)，功率器件經(jīng)歷了從結(jié)型控制器件如晶閘管、功率GTR、GTO，到場(chǎng)控器件如功率MOSFET、IGBT、IGCT的發(fā)展歷程，功率器件的發(fā)展歷程是一個(gè)向理想電子開(kāi)關(guān)逐步逼近的過(guò)程。功率器件性能日益提高，使得應(yīng)用更加方便。功率變換電路拓?fù)浣?jīng)歷了從發(fā)展到逐漸穩(wěn)定的過(guò)程。器件和電路的日趨成熟，使得人們自然地將注意力轉(zhuǎn)向電力電子系統(tǒng)的整體性能的優(yōu)化上來(lái)，電力電子系統(tǒng)的問(wèn)題

2、比以往受到了更多的關(guān)注。電力電子系統(tǒng)問(wèn)題包括控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)、功率變換器組合系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)、功率變換器的并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等。5.1功率變換器動(dòng)態(tài)建模的意義5.1功率變換器動(dòng)態(tài)建模的意義圖5-1電力電子裝置開(kāi)發(fā)流程5.1功率變換器動(dòng)態(tài)建模的意義圖5-2不間斷電源設(shè)備(UPS)系統(tǒng)框圖5.1功率變換器動(dòng)態(tài)建模的意義圖5-3不間斷電源逆變部分其中一相半橋逆變器的控制框圖5.1功率變換器動(dòng)態(tài)建模的意義圖5-4通信基礎(chǔ)電源的系統(tǒng)框圖5.1功率變換器動(dòng)態(tài)建模的意義圖5-5光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖5.1功率變換器動(dòng)態(tài)建模的意義圖5-6Buck DC/DC變換器反饋控制系統(tǒng)5.1功率變換器動(dòng)

3、態(tài)建模的意義圖5-7線性化處理后的Buck DC/DC變換器系統(tǒng)框圖DC/DC 變換器中包含功率開(kāi)關(guān)器件、二極管等非線性元器件，因此DC/DC變換器是一個(gè)非線性系統(tǒng)。但是當(dāng)DC/DC 變換器運(yùn)行在某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近時(shí)，電路狀態(tài)變量的小信號(hào)擾動(dòng)量之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此，盡管DC/DC 變換器為非線性電路，但當(dāng)考察它在某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，仍可以把它當(dāng)作線性系統(tǒng)來(lái)近似。變換器動(dòng)態(tài)模型的建立就是基于以上思想，通過(guò)簡(jiǎn)化的方法抓住主要矛盾，忽略次要因素，獲得簡(jiǎn)潔的公式，直觀地反映變換器動(dòng)態(tài)特性與電路元器件參數(shù)之間的關(guān)系，是控制系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。下面通過(guò)一個(gè)具體的例子介紹變換器動(dòng)態(tài)模型的建

4、模方法。5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-8DC/DC變換器反饋控制系統(tǒng)5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-9占空比寬度低頻調(diào)制作用a)占空比調(diào)制前b) 占空比調(diào)制后5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-10輸出電壓頻譜5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-11開(kāi)關(guān)周期平均算子意義a)h(t)函數(shù)b) h(t)函數(shù)的幅頻特性圖5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-12DC/DC變換器分割成線性定常網(wǎng)絡(luò)和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-13Boost變換器與開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)a) Boost變換器b

5、) 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-14開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)端口的波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-15用受控源代替開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)后的Boost變換器電路5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-16由圖5-15求開(kāi)關(guān)周期平均5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-17Boost變換器的開(kāi)關(guān)周期平均模型等效電路5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-18Boost變換器開(kāi)關(guān)器件仿真模型和開(kāi)關(guān)周期平均仿真模型對(duì)比a) Boost 器件仿真模型b) Boost 開(kāi)關(guān)周期平均仿真模型5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-19穩(wěn)態(tài)情況下輸入電流波形對(duì)比a

6、) Boost 電路電流波形b) Boost開(kāi)關(guān)周期平均等效電路電流波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-20穩(wěn)態(tài)情況下輸出電壓波形對(duì)比a) Boost電路電壓波形b) Boost開(kāi)關(guān)周期平均等效電路電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-21占空比突升情況下輸入電流波形對(duì)比a) Boost 電路電流波形b) Boost開(kāi)關(guān)周期平均等效電路電流波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-22占空比突升情況下輸出電壓波形對(duì)比a) Boost 電路電壓波形b) Boost開(kāi)關(guān)周期平均等效電路電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-23占空比突降情況下輸

7、出電壓波形對(duì)比a) Boost 電路電流波形b) Boost開(kāi)關(guān)周期平均等效電路電流波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-24占空比突降情況下輸出電壓波形對(duì)比a) Boost 電路電壓波形b) Boost開(kāi)關(guān)周期平均等效電路電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-25輸入電壓突升情況下輸出電壓波形對(duì)比a) Boost 電路電流波形b) Boost開(kāi)關(guān)周期平均等效電路電流波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-26輸入電壓突升情況下輸出電壓波形對(duì)比a) Boost 電路電壓波形b) Boost開(kāi)關(guān)周期平均等效電路電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型

8、圖5-27輸入電壓突降情況下輸出電壓波形對(duì)比a) Boost 電路電流波形b) Boost開(kāi)關(guān)周期平均等效電路電流波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-28輸入電壓突降情況下輸出電壓波形對(duì)比a) Boost 電路電壓波形b) Boost開(kāi)關(guān)周期平均等效電路電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-29作小信號(hào)擾動(dòng)后的Boost開(kāi)關(guān)周期平均模型5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-30線性化處理后的受控源a) 受控電壓源b) 受控電流源5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-31用開(kāi)關(guān)平均模型導(dǎo)出的Boost變換器小信號(hào)等效電路5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性

9、化動(dòng)態(tài)模型圖5-32開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)等效成理想變壓器與電源組成的線性兩端口網(wǎng)絡(luò)5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-33變換器開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)子電路的線性兩端口網(wǎng)絡(luò)a) buck變換器b) boost變換器c) buck/boost變換器5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-34Boost變換器開(kāi)關(guān)器件仿真模型和開(kāi)關(guān)周期平均仿真模型對(duì)比a) Boost 器件仿真模型b) Boost 開(kāi)關(guān)周期平均仿真模型5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-35器件模型占空比正5%小擾動(dòng)波形a) 占空比b) 輸入電流c) 輸出電壓5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-36小信號(hào)模型占空比正5%小

10、擾動(dòng)波形a) 占空比b) 輸入電流c) 輸出電壓5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-37器件模型占空比正10%小擾動(dòng)波形a) 占空比擾動(dòng)波形b) 輸入電流波形c) 輸出電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-38小信號(hào)模型占空比正10%小擾動(dòng)波形a) 占空比擾動(dòng)波形b) 輸入電流波形c) 輸出電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-39器件模型占空比負(fù)10%小擾動(dòng)波形a) 占空比擾動(dòng)波形b) 輸入電流波形c) 輸出電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-40小信號(hào)模型占空比負(fù)10%小擾動(dòng)波形a) 占空比擾動(dòng)波形b) 輸入電流波形c) 輸出電壓

11、波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-41器件模型輸入電壓正10%小擾動(dòng)波形a) 占空比擾動(dòng)波形b) 輸入電流波形c) 輸出電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-42小信號(hào)模型輸入電壓正10%小擾動(dòng)波形a) 占空比擾動(dòng)波形b) 輸入電流波形c) 輸出電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-43器件模型輸入電壓負(fù)10%小擾動(dòng)波形a) 占空比擾動(dòng)波形b) 輸入電流波形c) 輸出電壓波形5.2開(kāi)關(guān)周期平均與小信號(hào)線性化動(dòng)態(tài)模型圖5-44小信號(hào)模型輸入電壓負(fù)10%小擾動(dòng)波形a) 占空比擾動(dòng)波形b) 輸入電流波形c) 輸出電壓波形5.3統(tǒng)一電路模型由于采用不同的

12、推導(dǎo)方法獲得DC/DC變換器的小信號(hào)交流等效電路形式可能不同，但通過(guò)電路變換，可以將它們變換成統(tǒng)一的形式，如圖5-45所示。統(tǒng)一電路模型幾乎適用于所有DC/DC變換器拓?fù)?。有了統(tǒng)一電路模型，只需代入某一DC/DC變換器的參數(shù)，即可得到對(duì)應(yīng)DC/DC變換器小信號(hào)交流等效電路。典型DC-DC變換器統(tǒng)一電路模型參數(shù)見(jiàn)表5-1。5.3統(tǒng)一電路模型表5-1典型DC-DC變換器統(tǒng)一電路模型參數(shù)5.3統(tǒng)一電路模型圖5-45統(tǒng)一電路模型5.3統(tǒng)一電路模型表5-2輸入至輸出的傳遞函數(shù)和控制至輸出的傳遞函數(shù)如圖5-46所示為一個(gè)采用輸出電壓?jiǎn)苇h(huán)控制的Buck變換器系統(tǒng)，它由Buck變換器主電路、輸出電壓參考信號(hào)與

13、輸出電壓反饋信號(hào)相減單元、誤差放大器(又稱控制器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、補(bǔ)償放大器)、PWM調(diào)制器及功率器件驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。在DC/DC變換器系統(tǒng)，誤差放大器輸出的控制量不是直接去控制變換器主電路的功率器件，而是要將控制量變換成占空比大小與控制量成正比的脈沖序列，然后再去驅(qū)動(dòng)功率器件的導(dǎo)通或關(guān)斷。因此功率器件在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期之比等于脈沖序列的占空比，它與誤差放大器的輸出控制量成正比。實(shí)現(xiàn)控制量到脈沖序列變換的單元就是PWM調(diào)制器。5.4調(diào)制器的模型5.4調(diào)制器的模型圖5-46Buck變換器系統(tǒng)5.4調(diào)制器的模型圖5-47調(diào)制器原理5.4調(diào)制器的模型圖5-48調(diào)制器模型5.5閉環(huán)控制與穩(wěn)定性圖5-49DC/DC變換器閉環(huán)系統(tǒng)5.5閉環(huán)控制與穩(wěn)定性圖5-50典型反饋分壓網(wǎng)絡(luò)5.5閉環(huán)控制與穩(wěn)定性圖5-51原始電路增益函數(shù)(s)伯德圖a)幅頻圖b) 相頻圖5.5閉環(huán)控制與穩(wěn)定性圖5-52回路增益函數(shù)G(s)H(s)=(s)(s)的幅頻特性圖5.6本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹DC/DC變換器動(dòng)態(tài)模型的求解方法。首先介紹了開(kāi)關(guān)周期平均的概念，在此基礎(chǔ)上，以Boost變換器為例，推導(dǎo)了Boost變換器的開(kāi)關(guān)周期平均等效電路模型。開(kāi)關(guān)周期平均等效電路模型保留了原變換電路的主要?jiǎng)討B(tài)特征，