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。

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。

开关电源Pspice仿真技巧及收敛性问题摘要：本文主要讲述了开关电源的Pspice仿真中，速度与精度的权衡，收敛性问题的常规解决方法。

收敛性问题快速解决办法目前最最快速的办法，就是用16.0以上的版本，有自动收敛功能，能解决至少95%以上的收敛性问题。

但对于原理，还是要需要了解下面一些知识。

在做开关电源仿真时，经常会遇到收敛性的问题。

我也在其中遇到各种各样的收敛性问题，根据我的经验和前辈的传授，下面我对这个问题进行一个说明。

如果在仿真时遇到收敛性问题，快速解决办法如下：设置.OPTION设置里的一些选项。

_ ABSTOL = 0.01μ (Default=1p)_ VNTOL = 10μ (Default=1μ)_ GMIN = 0.1n (Default=1p)_ RELTOL = 0.05 (Default=0.001)_ ITL4 = 500 (Default=10)这些设置可以解决大多收敛性问题，当然如果电路中的错误，它是解决不了的。

如果模型不够精确，上面的设置需要实时调整才能得到想要的结果。

开关仿真中速度与精度的权衡开关仿真就是仿真时有很多重复的周期性的上升下降信号的仿真，比如开关电源的仿真。

在这种仿真中，需要丢弃一些仿真时间点，不然仿真将会非常慢。

而尽管如此，开关电源的仿真还是非常慢。

这种仿真中，pspice的时间步长会在一个很大的步长范围内波动。

这个波动范围主要由一些设置限定，比如RELTOL,ABSTOL,VNTOL等。

因为它是线性迭代算法，为了在信号的上升沿和下降沿得到限定精度范围内的值，在沿处理时，它需要提高步长细度，否则难以得到限定的仿真精度。

因为一般可信的仿真精度是不可能有太大的误差的。

为解决这种问题，通常可以通过设置TRTOL=25(DEFAULT 7),和TMAX，将时间步长限定在开关周期的1/10到1/100之间。

这样做基本可以提高一倍的仿真速度。

当然精度应该在可接受范围内。

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY课程设计说明书课程设计名称：电力电子技术题目：BUCK开关电源闭环控制的仿真研究- 50V/30V2016年6月电力电子课程设计任务书二级学院：电气与光电工程学院班级：13电二组号：4# 专业：电气工程及其自动化指导教师：职称：讲师目录一、 BUCK电路的基本原理........................... 错误！未定义书签。

二、主电路图的设计 (2)1主电路参数设计 (2)三、闭环系统框图 (3)1系统传递函数框图 (3) (3)2)(sGO的计算四、补偿器传递函数设计及系统仿真 (4)1 补偿器传递函数设计 (7)2闭环系统的仿真 (7)五设计总结 (10)六参考文献 (11)七附录 (12)程序1 (12)程序2 (12)一、BUCK电路基本原理Buck变换器主电路图Buck电路是由一个Mosfet S与负载串联构成的，是一种降压斩波电路，其电路如图1-1.驱动信号Ug周期地控制Mosfet S的导通与截止，通过改变Ug的占空比D，改变输出电压U0。

Buck/Boost变换器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。

Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。

Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM 控制方式。

LDO的特点：①非常低的输入输出电压差②非常小的内部损耗③很小的温度漂移④很高的输出电压稳定度⑤很好的负载和线性调整率⑥很宽的工作温度范围⑦较宽的输入电压范围⑧外围电路非常简单，使用起来极为方便。

BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ui。

通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C 的数值。

简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。

开关电源APFC实现方法及仿真验证摘要：随着电子科学技术的飞速发展，开关电源类装置在生产和生活的各个领域应用日趋广泛。

然而，由于其低功率因数，给电力系统注入了大量的谐波，致使电网中谐波的污染日益严重。

有源功率因数校正技术是提高功率因数，减少整流电路谐波的重要手段，能够使输入电流成为与电网电压同相位的正弦波，使整流电路基本不产生谐波。

因而成为目前电力电子学领域研究的热点。

本文基于boost电路介绍了峰值电流控制、滞环比较控制、平均电流控制三种APFC的实现方法，然后通过MATLAB仿真验证这三种方案的可行性，并对其性能进行比较。

ABSTRACT：With the fast developing of electronic science and technology, the devices of switch power supply have been used in the field of manufacture and living gradually extensive. However, because of the low power factor of these devices, it has injected a lot of harmonic in electrical power system, which cause the harmonic pollution problems are increasing serious. The active power factor correction technology is an important method which can increase the power factor and reduce the rectification circuit harmonic current. This technology can make the input current to be sinusoidal wave with the same phase with the input voltage, and make the rectification circuit doesn't produce harmonic current basically. The APFC technology become an hot research subject. In this paper, it first introduces three modes of APFC control: peak current control, average current control and current hysteresis control, and then use the MA TLAB to do the simulation and compare their Performance.1.APFC峰值电流控制方法1.1 控制原理概述控制原理图如图所示；图1 峰值电流法控制，Boost 功率因数校正器原理图如图1所示，控制开关管Tr的电流Is被检测，所得信号IsRi送入比较器。

开关电源的mwSPICE时域仿真
叶幼慧
【期刊名称】《电子技术应用》
【年(卷),期】1995(000)005
【摘要】提出用ｍｗＳＰＩＣＥ实现对开关电源的快速准确的时域仿真，给出了仿真方法及其应用举例。

【总页数】3页(P39-41)
【作者】叶幼慧
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TN454.02
【相关文献】
1.开关电源的交流和时域仿真研究 [J], 印叶婷
2.数字开关电源时域仿真方法研究 [J], 王诚;蒋伟
3.喷水推进船骑浪运动建模及时域仿真 [J], 封培元;蔡佑林;范佘明
4.通信与电力共用接地系统时域仿真模型及其对杆塔雷电响应特性的影响 [J], 彭程;文卫兵;邹军;刘培杰;高琦
5.整车主动悬架平顺性时域仿真与优化 [J], 荣吉利;邓增琨;何丽;王玺;程修妍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

开关电源的时域数学模型与系统的时域响应
对于二阶系统，可以采用解析的方法求出其时域响应，而二阶系统的分析结论有时也可以应用于高阶R 系统的分析。

因此，本文将以二阶系统或二阶电路为例来分析时域特性。

最简单最常用的例子是LO 低通滤波器电路，忽略
掉电路中的寄生参数后的电路如图1 所示，其中R 为LO 滤波器电路的负载电阻。

系统的时域数学模型，是一组线性或非线性微分方程式或差分方程式。

对于图1 所示的二阶低通滤波器电路，假设Ui 为输入电压，输出为y（t）
＝uo（t）则滤波电路的时域数学模型为：
图1 二阶低通滤波器电路
下面介绍系统的时域响应：
图2 所示为二阶系统的单位阶跃响应y（t）的典型曲线族。

由此曲线族可知，在过阻尼时（阻尼比ζ≥1），阶跃响应无振荡、无超调；在欠阻尼时（阻尼比ζ1），单位阶跃响应呈阻尼振荡形式，有一定的超调；在无阻尼时（阻尼
比ζ＝0），阶跃响应为等幅振荡，属于不稳定状态。

图2 二阶系统的单位阶跃响应y(t）的典型曲线族
对于自动调节系统来说，希望它既能快速响应，又不会过分超调。

为此，一般多采用阻尼比ζ来控制，ζ设计在0.4～0.8 之间；当ζ0.4，瞬态响应严重超调；当ζ＞0.8 时，没有超调，但响应太慢。

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