开关变换器-第5章 矩阵变换器建模

开关变换器的建模与控制
开关变换器是电力系统中重要的电力转换装置，具有转换、控制、保
护电力系统的功能。

1. 开关变换器的建模
（1）建模方法：对于开关变换器，主要通过物理建模法来进行建模，
模型中涉及的物理量可以包括电压、电流、功率、电阻等。

（2）建模要点：建模中要考虑有关开关变换器拓扑结构、工作状态及
其电气特性等信息，以及不同控制方式中模型参数的不同，并使建模
结果能够准确反映出开关变换器物理状态。

2. 开关变换器的控制
（1）控制原理：开关变换器控制系统是一个综合性的、采用控制反馈
技术的复杂自动控制系统，基本控制原理就是收集被控对象的运行参数，然后经过现场的计算机处理后，对被控对象的工作过程进行调节，达到设定的目标。

（2）控制方式：该系统可以采用串口、以太网等各种技术，实现远程
控制，具有上位控制、自动控制等控制方式，可以实现自动控制，也
可以实现智能控制，可根据需要进行调整。

3. 优缺点
（1）优点：开关变换器由于其匹配性好、体积小、转换效率高等优点，
在电力系统中有着广泛的应用。

它可以有效地保护电力系统，并改善电力质量。

（2）缺点：开关变换器也不是完美的，它存在着准确度下降和高温失效等缺点，有时可能会对电力系统的运行产生不良影响。

综上所述，开关变换器的建模与控制可以有效地应用于电力系统，但还需注意它在使用过程中的缺点，从而确保系统的正常运行。

开关变换器的建模与控制张卫平主编下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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多年来，开关变换器的研究在国内外形成研究热点是建模技术的发展、拓扑结构的拓展、及其控制方法的改进。

建模方法的研究，不论是在自然科学和工程技术领域，还是在社会科学领域，建立系统的数学模型，分析系统的特性是科研人员常常需要面对的问题[61。

通过系统数学模型的建立，科研人员可以深入分析和了解系统的特征行为、运行的原理，对系统进行计算机仿真和实验预测，对系统的模式识别作出相应的决策。

当面对一个高度非线性、具有不确定性、多因素限制、强祸合性的复杂系统时，传统的数学模型表示和分析方法已经很难满足，不能分析或者较准确地反应系统特征，急切需要发展新的理论方法和特定的模型来表示这类系统。

因为开关变换器工作于闭环系统时是属于时变非线性周期性工作的状态，含有准谐振开关变换器的系统也属于广义的非线性系统，传统的奈奎斯特图和拉氏变换等己经不能直接应用，这就需要针对这种强非线性系统拓展出新的建模与分析方法，并使分析方法尽量地精简、正确、全面和完善。

在开关变换器拓扑结构拓展的研究是电源技术的另一个研究热点，不断有新的研究成果问世，如半桥变换器、全桥变换器、软开关技术等等，对开关功率器件换流过程的分析也日趋准确。

而在控制方法的发展方面，也由最开始单一的单、双闭环控制等发展到变结构控制方法[5][6]。

开关电源在实用中首先要求安全可靠，因此在变换器的设计和研制过程中就有必要在以下几个方面进行深入的研究[6]:1、拓扑的研究论文第一章绪论变换器的拓扑研究包含两个领域的工作:第一个研究领域是变换器电路参数的优化，其目的是为了使变换器的设计成本、产品体积、稳态、各项动态和瞬态性能达到一个优化较好的效果。

参数优化的有效的手段目前来说就是先设计好变化器的目标函数，然后对开关变换器得各项电路参数进行有效的参数优化工作。

第二个是变换器的主体拓扑结构，这方面的研究进展迅猛，到目前为止成果丰硕:如升，降压结构，半桥结构、全桥带变压器隔离结构、全桥结构，半桥零电压结构、全桥零电压结构、全桥零电压零电流结构等，每种结构各有优点和缺点，适合各种不同的现场条件下的应用。

第5章 直流-直流开关型变换器 习题第1部分：简答题1.开关器件的导通占空比是如何定义的？直流－直流开关型变换器有哪几种控制方式，各有何特点？其中哪种控制方式最常用，为什么？答：导通占空比被定义为开关期间的导通时间占工作周期的比值，即 onst D T， 直流－直流开关型变换器有三种控制方式：1）脉冲宽度调制PWM ，特点为：周期不变，通过改变导通时间来调节占空比。

2）脉冲频率调制PFM ，特点为：导通时间不变，通过改变周期来调节占空比。

3）混合型调制，特点为：导通时间和周期均可改变，来调节占空比。

其中PWM 最常用，因为载波（开关）频率恒定，滤波器设计较容易，且有利于限制器件的开关损耗。

2.画出带LC 滤波的BUCK 电路结构图。

并回答下列问题：实用的BUCK 电路中为什么要采用低通滤波器？为什么要接入续流二极管？设计滤波器时，滤波器的转折频率应如何选取，为什么？答：带LC 滤波的BUCK 电路结构图如下：1）实用Buck 电路采用低通滤波器可以滤除高次谐波，使输出电压更接近直流。

2）续流二极管的作用是：当开关VT 断开时，构成续流回路，释放电感储能。

3）滤波器的转折频率fc 应远小于开关频率fs ，以滤除输出电压中的高次谐波。

3.画出BOOST电路结构图，并简述BOOST电路中二极管和电容的作用。

答：BOOST电路结构图如下：二极管的作用：规定电流方向，隔离输出电压。

电容的作用：在开关断开期间，保持负载电压。

4.简述稳态电路中电感和电容上电压、电流的特点，并分析其物理意义。

答：1）稳态时，电感上的电压在1个周期上平均值为零，即伏秒平衡。

物理意义是: 稳态时电感中磁通在1个周期内净变化量为零。

2)稳态时，电容上的电流在1个周期上平均值为零，即安秒平衡。

物理意义是：稳态时电容上电荷在1个周期内净变化量为零。

5.为什么BUCK电路可以看作是直流降压变压器，而BOOST电路可以看作是直流升压变压器？这种变换器与真正的变压器相比有何异同之处？答：1）因为在连续导通模式下，Buck和BOOST电路都可以通过调节占空比D,使变压比Uo/Ud在0～1和大于1的范围内连续调节，因此从变压角度看，可将它们视为直流降压变压器和升压变压器。

开关变换器的建模与控制张卫平主编开关变换器是现代电力电子技术中的重要组成部分，广泛应用于各类电源系统和工业控制系统中。

本书由张卫平主编，旨在系统地介绍开关变换器的建模与控制技术，为电力电子工程师和研究人员提供深入的理论基础和实用指导。

书籍的内容涵盖了开关变换器的基本原理和工作机制，详细探讨了各种常见拓扑结构及其特点。

在建模方面，本书从电路方程的推导入手，逐步引入控制理论和数学工具，使读者能够理解开关变换器在不同工作模式下的动态特性和稳态行为。

在控制技术方面，本书重点讨论了现代控制理论在开关变换器中的应用，包括经典控制方法、模型预测控制、自适应控制等。

这些方法不仅可以提高开关变换器的性能和效率，还能有效解决在实际应用中遇到的挑战和问题。

本书还特别关注了开关变换器的设计优化和工程应用。

通过案例分析和实例演示，读者将能够了解到如何根据具体的应用需求选择合适的变换器拓扑结构、设计适用的控制策略，并进行系统的性能评估和验证。

张卫平主编的丰富经验和深厚学术背景保证了本书的学术水平和内容的权威性。

他在电力电子领域的研究和实践经验，为本书提供了宝贵的学术支持和指导，使其成为当前电力电子领域中一部不可或缺的重要著作。

，本书不仅仅是一本学术著作，更是一本实用的工程技术指南，帮助读者深入理解开关变换器的建模与控制原理，推动电力电子技术的发展与应用，为实现更加智能、高效的电能转换和控制系统贡献力量。

在本书中，张卫平主编集结了众多领域内的专家学者，共同探讨了开关变换器技术的前沿进展和未来发展趋势。

通过对多种开关变换器拓扑结构的深入分析和比较，读者可以系统地了解每种结构的优缺点，以及在不同应用场景下的适用性和性能特征。

开关变换器作为现代电力电子领域的核心技术之一，其在能源转换、电动车辆、再生能源系统等领域中的广泛应用，使其设计和控制技术的发展尤为关键。

本书的出版填补了相关领域在高效能源转换和电力控制方面的理论和实践空白，为工程师提供了深入学习和应用开关变换器技术的平台。

矩阵变换器的建模与仿真作者：王刚来源：《卷宗》2020年第16期摘要：由于矩阵变换器在体积、重量等方面具有一定的优势，它被视为是一种能够代替传统AC-DC-AC变频器的选择，在众多的电力变换场合得到了应用。

文章依据空间矢量调制算法，使用Matlab/Simulink仿真，验证了控制策略的正确性。

关键词：矩阵变换器;空间矢量调制;仿真1 引言矩阵变换器以其简单的拓扑结构及诸多理想的电气特性，使其具有巨大的理论研究价值和广阔的应用前景，越來越受到广大研究人员的青睐，成为20世纪80年代以来的第三个交流电力变换器平台。

因其具有优良的输入输出特性，并具有广义的变换器特性，使得它在众多的电力变换场合得到了应用。

本文依据双空间矢量调制算法，应用Matlab/Simulink 建立了数学模型进行计算机仿真。

2 双空间矢量调制算法双空间矢量调制算法是一种间接调制算法，它的基础是PWM调制技术，是对矩阵变换器等效交-直-交结构的前级虚拟整流级和后级虚拟逆变级分别采用空间矢量调制技术，再将两部分有机的结合起来，实现整体控制。

2.1 空间矢量的合成原理空间矢量的旋转角频率即为三相对称交流量的角频率，而且从式（2.1）的计算得到旋转矢量的幅值|F|正好等于三相对称交流量的幅值Fm。

2.2 调制算法中输入、输出空间的分析2.2.1 输出空间8个开关状态电压矢量有6个非零矢量u1-u6和两个零矢量u1和u7，6个非零电压开关矢量将空间平均分成6个区Ⅰ—Ⅵ，每个区间为60°。

在一个采样周期Ts内，期望输出的线电压空间矢量可以用两个相邻的开关状态矢量Uα、和一个零矢量U0来近似合成，其表达式为：2.2.2 输入空间假定负载为三相对称负载，虚拟逆变级的直流电流的局部平均值为恒值，为前级虚拟整流级提供恒定的输出电流。

当电源电压对称，虚拟整流级的直流回路电流恒定，为后级虚拟逆变级供电。

2.3 空间矢量合成以I1与U1所对应的开关组合为例，在Tα时间内，两个相邻的输出电压开关状态的矢量占空比为：3 矩阵变换器的仿真为了验证本章理论分析和推导的正确性，应用Matlab/Simulink 建立了数学模型进行计算机仿真。

DC―DC开关变换器的建模与非线性行为控制一、Buck-Boost变换器工作原理Buck-Boost变换器电路如图1（a）所示。

Buck-Boost变换器功率级工作原理：当功率开关管S导通时，二极管D受反向电压关断，电感电流>上升。

当上升达到参考电流I时，S断开，>通过D进行续流，此时D导通。

如果在下一个时钟脉冲到来时大于0，则电路工作于连续导电模式（CCM），电路波形图1（b）所示；如果在下一个时钟脉冲到来前已降到0，则电路工作于不连续导电模式（DCM），此时开关S和D都关断，电路波形图1（c）所示。

控制级工作原理：将电感电流的采样值与参考电流I输入比较放大器A（其放大系数为K），得到误差信号e=（I-），该误差信号与锯齿波信号相比较，控制输出信号调节占空比D，进而控制开关S的导通时。

二、Buck-Boost变换器非线性行为在进行Buck-Boost变换器非线性行为分析前，做如下假设：（1）负载上的电压V恒定不变，可看作是一个电压源。

在实际电路中只要滤波电容足够大，这一假设是成立的；（2）变换器中所有器件均为理想器件，忽略其寄生参数。

1、连续导电模式在t=t（n=0，1，2，…）时刻，S闭合。

此时系统的微分方程为：（1）在t=t+DT（n=0，1，2，…）（D为系统的占空比）时刻，S 断开，此时系统的微分方程为：（2）当电感电流达到参考电流值时，电路开关S由导通转换为关断。

电感电流在时刻的采样值与基准电流I输入比较器A，A的反馈倍数为K，系统的采样控制方程为：（3）en输入PWM控制器，与锯齿波相比较，形成的占空比规律如下：（4）采用A开关映射的数据采样方法，即在开关S闭合的时刻采样数据。

设在t=tn（n=0，1，2…）和t=tn+T （n=0，1，2…）时刻电感电流采样值分别为in，in+1，则系统的离散方程为：（5）将式（3）和式（4）代入式（5），得：（6）其中：式（6）即为系统CCM的离散迭代方程。

第五章 开关变换器的状态空间平均建模开关变换器是通过调整开关器件的工作状态实现开关变换器输出电压的调整，在一个开关周期内，开关变换器是一个周期性时变电路，但在每一个开关工作状态，开关变换器又可以看作是一个线性电路。

因此，我们不能用常规的线性电路理论对开关变换器进行分析，而必须研究适用于开关变换器的建模分析方法。

5.1 开关变换器的状态空间平均模型 5.1.1 开关变换器的状态空间方程及其近似解对于一个在开关周期T 内有两个开关工作状态的开关变换器，我们可以分别写出它在每一个开关工作状态的状态方程，并进行求解。

工作状态1：在每一个开关周期的[0，DT ]时间段，开关变换器的状态方程为：d ()()()d ()t t t t t =+11x A x B u (5-1a ）工作状态2： 在每一个开关周期的[DT ，T ]时间段，开关变换器的状态方程为：d ()()d (t)t t t=+22x A x B u (5-1b)其中：(t)x 是状态向量；()t u 是输入向量；A 1，A 2，B 1，B 2分别是工作状态1和工作状态2对应的状态矩阵和输入矩阵。

（I ）开关工作状态1对应的状态方程的解为1110()0d tte t e ττ⎰A A u x(t)=x()+B （5-2）当开关变换器的开关频率（1/S f T =）远大于状态方程的特征频率0f ，即0S f f >>时，存在下述线性近似关系111DT DT e +≈A A (5-3)将（5-3）代入（5-2），可得1110011()()0()d 0d DTDTDT DT et DT et e ττττ+=+⎰⎰A A A 1I A B u x()=x()+B u x() （5-4a ）当开关变换器的输入变量()t u 在一个开关周期内是常数，或相对于开关频率是慢变换量时，可以用()t u 在一个开关周期内的平均值u 等效，于是，由式（5-4a ）可得1221120DT DT D T DT e ++A 11A x()=x()B u B u （5-4b ）对于0S f f >>，可以忽略式（5-4b ）中的2T 项，从而得到下述线性近似关系110DT DT DT e +A u x()=x()B （5-4c ）（II ）开关工作状态2对应的状态方程的解为22()()d tDTt DT e t eDT ττ-⎰A 2A u x(t)=x()+B (5-5)同理，由式（5-6）可得：112221212()00''''+'=+T T TTTD D D D D D T D T T e e DT eeDT eA A A A A uu u ux()=B B x()+x()+B B (5-6)式(5-6)中2121)(T D D T DT DT e ''=+A u u A B I B (5-7)忽略式(5-7)中的2T 项，可得21211)(T D D T DT DT DT e ''==+A u u u A B I B B (5-8)将式(5-8)代入式(5-6)，得12)(12)0(T D D T T e D D +'+'A A u x()=x()+B B （5-9）（5-9）对应的微分方程为：1212)d d ()(D D D tt t D ''++A A u x()=x()+B B （5-10）其中t x()为开关变换器在一个开关周期内状态变量的平均值，（5-10）即为描述开关变换器在一个开关周期内的状态空间平均方程。

DCDC开关变换器的建模分析与研究DC-DC开关变换器是一种将直流电能转换为可变电压或可变电流的电力转换设备。

它通过开关管的开关操作，将输入直流电源通过开关操作从电源中提取电能，经过滤波和调节后，输出所需的电压或电流。

DC-DC开关变换器的建模分析与研究主要包括以下几个方面：1.基本电路模型：DC-DC开关变换器一般由开关管、电感、电容和二极管等基本元件组成。

建立这些元件之间的电路连接关系，可以得到DC-DC开关变换器的基本电路模型。

2.状态空间分析：通过建立DC-DC开关变换器的状态空间方程，可以对系统的状态进行描述和分析。

状态空间分析可以帮助研究者深入了解系统的动态特性，比如系统的阻尼、振荡频率等。

状态空间分析还可以进行系统控制设计和参数优化等工作。

3.均衡分析：DC-DC开关变换器在不同工作状态下，系统的电压和电流会有不同的变化特性。

通过对系统的均衡分析，可以确定系统在不同工作状态下的电压、电流等数据。

这对于系统的稳定性分析、能量传输效率的研究以及开发可靠的控制方法等方面都有重要意义。

4.动态响应分析：DC-DC开关变换器在不同负载和输入条件下，系统的动态响应特性会有所不同。

通过对系统的动态响应进行分析，可以了解系统对负载变化和输入电压波动等的适应能力，为系统的控制方法设计提供依据。

5.控制策略研究：DC-DC开关变换器的控制策略研究是建模分析的重要内容。

不同的控制策略可以对系统的性能产生不同的影响。

常用的控制策略包括比例积分控制（PI控制）、模糊控制、模型预测控制（MPC）等。

通过对不同控制策略的比较和分析，可以选择适合特定应用场景的最佳控制策略。

总之，DC-DC开关变换器的建模分析与研究对于深入理解系统的电气特性、设计高效可靠的控制方法以及提高系统的性能都具有重要意义。

在建模分析与研究的过程中，需要考虑系统的基本电路结构、状态空间方程、均衡分析、动态响应特性和控制策略等多个方面的内容，通过综合分析和比较，可以得到对系统性能和工作特性有较好理解的研究成果。

矩阵变换器2012、3、
矩阵变换器的定义
•矩阵变换器是一种直接交—交变换电路，起初提出时是指m相输入变换到n相输出的一般化结构，目前应用最多的是三相—三相矩阵变换器。

矩阵变换起的基本拓扑结构
矩阵变换器的双向开关
对于一相输出的矩阵变换器
矩阵变换器的模块化
电压型双PWM变换和矩阵变换器的比较
根据冲量等效原理和占空比的公式可以得出：
矩阵变换器的输出受到输入的控制：
矩阵变换器输入电压和输出电压之间的关系：
矩阵变换器的输入电压和输出电压之间的关
系：
电压控制法—Venturini。