反激变换器建模Matlab仿真
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单端反激变换器的建模及应用仿真摘要:本课程设计的目的是对直—直变换电路中常用的带隔离的Flyback电路(反激电路)进行电路分析、建模并利用Matlab/Simulink软件进行仿真。
首先是理解分析电路原理,以元件初值为起点,用simulink软件画出电路的模型、并且对电路进行仿真,得出仿真波形。
在仿真过程中逐步修正参数值,使得仿真波形合乎要求,并进行电流连续、断续模式与电路带载特性的分析。
关键词:单端反激变换器Matlab/Simulink建模与仿真二、反激变换器的基本工作原理1.基本工作原理(1)当开关管导通时,变压器原边电感电流开始上升,此时由于次级同名端的关系,输出二极管VD截止,变压器储存能量,负载由输出电容C提供能量,拓扑电路如下图。
图2-1开关管导通时原理图为防止负载电流较大时磁心饱和,反激变换器的变压器磁心要加气隙,降低了磁心的导磁率,这种变压器的设计是比较复杂的。
(2)当开关管截止时,变压器原边电感感应电压反向,此时输出二极管导通,变压器中的能量经由输出二极管向负载供电,同时对电容充电,补充刚刚损失的能量,原理图如下图。
图2-2开关管截止时原理图在开关管关断时,反激变换器的变压器储能向负载释放,磁心自然复位,因此反激变换器无需另加磁复位措施。
磁心自然复位的条件是:开关导通和关断时间期间,变压器一次绕组所承受电压的伏秒乘积相等。
2、DCM(discontinuouscurrentmode)&CCM(continuouscurrentmode)根据次级电流是否有降到零,反激可以分为DCM(副边电流断续模式)和CCM(副边电力连续模式)两种工作模式。
两种模式有其各自的特点。
下面两种工作模式时的波形。
图2-3反激变换器工作在CCM下的各个波形图2-4反激变换器工作在DCM下的各个波形两种工作模式有完全不同的工作特性和应用场合。
以下是这两种工作模式的优缺点比较。
Ug 为PWM脉冲信号、U T为开关管承受电压、I L1与I L2原副边电流、U L2副边电压。
前言本文主要论述的是如何对理想的CCM模式下的反激式变换器进行闭环补偿设计,并观察验证补偿结果。
主要分两部分进行论述,一部分是利用小信号建模法建模并计算出相应的传递函数,并由反激变换器的CCM的工作条件算出一组参数。
第二部分是通过matlab对其开环特性的分析,选择合适的补偿方法,并通过simulink进行仿真观察验证。
1 反击变换器的现状反激式(Flyback)变压器,或称转换器、变换器。
因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名。
反激式变压器的优点有:1.电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求.2.转换效率高,损失小.3.变压器匝数比值较小.4.输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,目前已可实现交流输入在 85~265V间.无需切换而达到稳定输出的要求.反激式变压器的缺点有:1.输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用于150W以下.2.转换变压器在电流连续(CCM)模式下工作时,有较大的直流分量,易导致磁芯饱和,所以必须在磁路中加入气隙,从而造成变压器体积变大.3.变压器有直流电流成份,且同时会工作于CCM / DCM两种模式,故变压器在设计时较困难,反复调整次数较顺向式多,迭代过程较复杂.由于两种模式的仿真较复杂,本文只对CCM模式下的反激变换器进行仿真和讨论。
2 CCM 模式下反激式变换器的工作原理和传递函数的计算CCM 模式是指,反激式变换器中的变压器在一个周期结束时仍有部分的存储能量。
而这也是CCM 模式下讨论其工作原理和计算传递函数的基础。
CCM 模式下,反激式变换器有两个工作状态,一个是开关Q 导通,另一个是开关Q 断开,如图2.1所示。
V(t)V gD 开关Q断开V g D 开关Q 导通图2.1 CCM 模式下反击变换器的两个工作状态当开关Q 断开时有方程组:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=+-=+=])(,[),()(])(,[,)()(])(,[),()(s s s T L g T c T g L t d t t t i t i t d t t R t v t i t d t t t v t v当开关Q 导通时有方程组:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧++=++-=++-=],)([,0)(],)([,)()()(],)([,)()(s s g s s L c s s L T t T t d t t i T t T t d t R t v n t i t i T t T t d t n t v t v在周期平均法的基础上,通过在变换器静态工作点附近引入低频小信号扰动,从而对变换器进行线性化处理。
基于MATLAB/Simulink的原边反馈反激式变换器的仿真研究作者:孙博海胡桂明郭向威来源:《计算技术与自动化》2019年第02期摘 ; 要:阐述了原边反馈反激变换器的工作原理,论述了原边反馈反激变换器的优点,最后在MATLAB/Simulink中进行了建模与仿真。
MATLAB/Simulink作为常用的研究软件,在反激变换器这一领域往往着眼于常规副边反馈的仿真研究,鲜有原边反馈的相关阐述。
对某种原边恒流反馈的反激变换器进行仿真探讨,为实际电路的设计提供了方便。
关键词:反激变换器;原边反馈;建模与仿真中图分类号:TM46 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码:ASimulation Study of Primary Side RegulatedFlyback Converter Based on MATLAB/SimulinkSUN Bo-hai?覮,HU Gui-ming,GUO Xiang-wei(College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning,Guangxi 530004,China)Abstract:The paper studies the working principle of the primary side regulated flyback converter,and discusses the advantages of the secondary side regulated flyback converter. At last,the paper makes modeling and simulation in the MATLAB/Simulink. As a commonly used research software,MATLAB/Simulink often focuses on the simulation research of the traditional secondary side regulated flyback converter. There are few related descriptions of primary side regulated feedback converter in the MATLAB/Simulink. The paper makes a decision to simulate the constant current feedback of primary side regulated flyback converter. The paper provides convenience for the practical circuit design of primary side regulated flyback converter.Key words:flyback converter;primary side regulated;modeling and simulationMATLAB/Simulink作为常用的研究软件,在反激变换器这一领域往往着眼于常规副边反馈的仿真研究,鲜有原边反馈的相关阐述。
三相逆变电源的在Matlab中的仿真设计摘要:本文采用MATLAB搭建仿真系统对变频电源进行系统分析。
基于Simulink做了系统仿真,并做了原理性的论证,调节器件参数比较仿真结果。
1. 引言由于计算机技术的迅速发展和广泛应用,数学模型的应用和仿真越来越普遍。
本文研究背景及意义于在MATLAB中提供了Simulink和Power Systerm Blockset工具箱,拥有一种很方便的建模环境,用户不用直接编写程序,而是通过交互命令方式建立、修改和调试模型,给电力电子技术中的各种电路的仿真提供了有利的条件,简化了仿真建模。
电力系统工具箱(Power System Blockset),如图1-1 Block Library。
图1-1 Block Library2. MATLAB在变频器中应用及仿真框图2.1仿真框图的设计变频电源主要结构分为以下几个部分。
1. 整流器,它与单相或三相交流电源相连接,产生脉动的直流电压。
2. 中间电路,有以下三种作用:a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑,供逆变器使用。
b.通过开关电源为各个控制线路供电。
c.可以配置滤波或保护装置以提高变频电源性能。
3. 逆变器,将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。
4. 控制电路,它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器,同时它也接收来自这些部分的信号。
图2-1为三相变频电源的仿真电路。
在仿真电路图中,双击元件,可得到各元件的属性设置。
改变各项的值,运行并通过示波器来显示各个量的变化,以便比较和研究。
在仿真环境中,用户通过简单的鼠标操作就可建立起直观的系统模型并进行仿真,能有机地将理论研究和工程实践结合在一起。
图2-1 三相变频电源的仿真电路整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成,元件的直观连接与实际的主电路相似,其中主要包括:整流环节,直流环节,逆变环节,PI调节器、坐标变换模块、SPWM产生环节。
这些元件都设置有对话框,用户可以方便的选择元件类型和设置参数。
反激式变换器环路分析与建模Technical Note 安森美半导体应用系列技术笔记AN01010101 V1.00 Date: 2012/09/18类别内容关键词反激,环路建模摘要本文采用基于传递函数的经典控制理论,介绍了反激式变换器的功率级和补偿网络分别在CCM模式和DCM模式下的小信号模型,并基于NCP1200及NCP1015构建反激式变换器,在Matlab环境下验证所建数学模型的合理性。
广州周立功单片机发展有限公司修订历史目录第1章反激式变换器环路分析与建模 (1)1.1 概述 (1)1.2 基础概念 (1)1.2.1 与环路分析相关的几个概念 (1)1.2.2 性能优良的开关电源的设计目标 (3)1.3 传递函数的建立 (4)1.3.1 补偿网络传函(Hs) (4)1.3.2 功率级传函(Gs) (6)1.4 Matlab分析 (7)1.5 总结 (9)第1章反激式变换器环路分析与建模1.1 概述在反激式开关电源的设计中,对于缺乏设计经验的工程人员,闭环回路相关参数的调试将会耗去大量的时间和精力。
最让开发人员困惑的是,当自己设计的开关电源表现不佳(比如噪声过大、空载震荡、开机过冲太大等)时,不知道该调整电路中的哪些参数来得到想要的性能。
众所周知,开关电源是一个典型的闭环控制系统,而且是一个高度非线性时变系统。
一般而言,涉及到非线性的系统需要通过现代控制理论的方法去研究,不过,基于矩阵变换的现代控制理论虽然模型精确但建模极为复杂,这一点令开关电源的开发人员望而却步。
在实际工程应用中,非线性系统可以近似线性化处理(相关理论可参考胡寿松版《自动控制原理》第二章内容),从而在保证合理性的情况下,降低研究问题的难度。
因此,采用基于传递函数经典控制理论被广泛应用于实际工程分析中,当然,本文讨论的反激式变换器的建模问题,果断地采用了这种方法。
本文尝试对应用比较广泛的反激式变换器进行建模分析,包括功率级和补偿网络两部分,并在Matlab环境下编写m文件,利用Bode图分析其开环传递函数的幅频特性曲线和相频特性曲线,以及动态响应特性。
单端反激式开关电源设计的matlab实现%设计开始%输入交流最小值(V)Uacmin = 85;fprintf('输入交流最小值:%dV\n',Uacmin)%输入交流最大值(V)Uacmax = 265;fprintf('输入交流最大值:%dV\n',Uacmax)%线电压频率(HZ)Fline = 50;fprintf('输入线电压频率:%dHZ\n',Fline)%输出电压(V)Uo = [5 15];%输出整流管正向导通压降(V)Uf = [0.4];%输出电流(A)Io = [0.8 0.5];for i = 1:length(Uo);fprintf('输出电压%d为%2.1fV,输出电流为%3.2fA\n',i,Uo(i),Io(i))end%输出功率(w)Po = (Uo+Uf)*Io';fprintf('输出功率:%3.1fW\n',Po)%效率eta = 0.8;fprintf('效率:%d%%\n',round(eta*100))%整流桥导通时间(s)Tc = 32e-4;%E6标准基数E6=[1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8];%整流滤波电容(uF)if Po >= 4for i = 1:6;if (Po*2.5) < (E6(i)*10)Cin = E6(i)*10;break;endendendif Po >= 40for i = 1:6;if (Po*2.5) < (E6(i)*100)Cin = E6(i)*100;break;endendendfprintf('滤波电容:%duF\n',Cin)%输入最小直流电压(V)Udcmin = sqrt(2*(Uacmin^2)-(2*Po*(1/(2*Fline) - Tc))/(eta*Cin*10^(-6)));fprintf('输入直流最小值:%dV\n',round(Udcmin))%输入最大直流电压(V)Udcmax = sqrt(2)*Uacmax;fprintf('输入直流最大值:%dV\n',round(Udcmax))%最大占空比Dmax = 0.45;fprintf('设定最大占空比:%d%%\n',round(Dmax*100))%开关管饱和导通压降(V)Uds = 10;%反激电压(V)Uor = (Udcmin - Uds)*Dmax/(1-Dmax);fprintf('反激电压:%4.1fV\n',Uor);%最小占空比Dmin = Uor/(Uor+(Udcmax-Uds));%开关管最小耐压(V)Umos_min= Udcmax+1.4*1.5*Uor+20;fprintf('开关管最小耐压:%5.2fV\n',Umos_min)%开关频率(KHZ)f = 60;%电流密度(A/mm^2)J = 5;%设定窗口利用率(0.2~0.4)Ku = 0.3;%设定工作模式(CCM/DCM),设定拓扑系数KTKrp = 1;if(Krp == 1)fprintf('工作模式为DCM\n');KT = (2/sqrt(3))*(sqrt(1-Dmax)+sqrt(Dmax));elsefprintf('工作模式为CCM\n');KT = ((1-Dmin)/(1-Dmax))*(sqrt(1-Dmax)+sqrt(Dmax))/Krp; end%最大磁通密度(T) (0.2~0.3)Bm = 0.22;%面积法选定磁芯(cm^2)Ap = 1.5*KT*Po/(10*Bm*J*Ku*f*eta);%1.5倍余量fprintf('所选磁芯最小面积乘积为:%5.3fcm^2\n',Ap);%根据所选磁芯EE25,查阅相关参数Ae = 40;%初级绕组平均电流(A)Iavg = Po/(eta*Udcmin);fprintf('初级绕组平均电流:%5.3fA\n',Iavg)%初级绕组峰值电流(A)Ipkp= Iavg*(2/((2-Krp)*Dmax));fprintf('初级绕组峰值电流:%5.3fA\n',Ipkp)%确定开关管的最大电流(A)Imos_pk = 1.5*Ipkp;fprintf('开关管能承受的最小电流:%5.3fA\n',Imos_pk) %初级绕组有效值电流(A)Irmsp = Ipkp*sqrt(Dmax*((Krp^2)/3-Krp+1)); fprintf('初级绕组有效值电流:%5.3fA\n',Irmsp)%确定初级电感量Lp(mH)Lp = Udcmin*Dmax/(f*Ipkp*Krp);fprintf('初级绕组电感量:%3.2fmH\n',Lp);%原边匝数(Turn)Np = round(1000*Lp*Ipkp/(Ae*Bm));fprintf('原边匝数:%d匝\n',Np);Ns = round(Np*(Uo+Uf)/Uor);for i = 1:length(Uo)fprintf('第%d路输出副边绕组匝数:%d匝\n',i,Ns(i)); end%偏置电压(V) (与具体芯片有关)Ub = 15;%偏置绕组输出整流二极管正向导通压降(V)Ud = 0.7;%偏置绕组匝数(Turn)Nb = round(Np*(Ub+Ud)/Uor);fprintf('偏置绕组匝数:%d匝\n',Nb);%开气隙前Al (nH/Turn^2) (与磁芯型号有关)Al = 2000;fprintf('开气隙前电感系数:%3.2fnH/Turn^2\n',Al); Alg = 10^6*Lp/(Np^2);fprintf('开气隙后电感系数:%3.2fnH/Turn^2\n',Alg); %气隙长度Lg(mm)Lg = 0.4*pi*Ae*(1/Alg-1/Al);fprintf('气隙长度:%3.2fmm\n',Lg);%20℃铜导线集肤效应穿透深度(mm)d = 66.1/sqrt(f*10^3);fprintf('集肤效应穿透深度:%3.2fmm\n',d );%原边导线线径(mm)for i = 1:6;%最多6股并绕Dp = 1.13*sqrt(Irmsp/(i*J));if Dp <= 2*dbreak;endendif i > 1fprintf('原边导线线径:%3.2fmm,%d股并绕\n',Dp,i); elsefprintf('原边导线线径:%3.2fmm,单股\n',Dp);end%副边电流峰值(A)Ipks = Ipkp*((Uo+Uf).*Io/Po)*Np./Ns;for i = 1:length(Uo)fprintf('第%d路输出副边电流峰值:%3.2fA\n',i,Ipks(i)); end%副边电流有效值(A)Irmss = Ipks*sqrt((1-Dmax)*((Krp^2)/3-Krp+1));for i = 1:length(Uo)fprintf('第%d路输出副边电流有效值:%3.2fA\n',i,Irmss(i));endfor i = 1:length(Uo)for j = 1:6%最多6股并绕Ds(i) = 1.13*sqrt(Irmss(i)/(j*J));if Ds(i) <= 2*dif j > 1fprintf('第%d路输出副边导线线径:%3.2fmm,%d股并绕\n',i,Ds(i),j);elsefprintf('第%d路输出副边导线线径:%3.2fmm,单股\n',i,Ds(i));endbreak;endendend%输出滤波电容上的纹波电流(A)Irs = sqrt(Irmss.^2-Io.^2);for i = 1:length(Uo)fprintf('第%d路输出滤波电容纹波电流:%3.2fA\n',i,Irs(i));end%输出整流管最低耐压(V)Ubrs = 1.25*(Uo + Udcmax*Ns/Np);%取1.25倍余量for i = 1:length(Uo)fprintf('第%d路输出整流管最低耐压:%3.2fV\n',i,Ubrs(i));end%偏置绕组整流管最低耐压(V)Ubrb = 1.25*(Ub + Udcmax*Nb/Np);%取1.25倍余量fprintf('偏置绕组整流管最低耐压:%3.2fV\n',Ubrb); %输入整流桥最低耐压(V)Ubr = 1.25*Uacmax;%取1.25倍余量fprintf('输入整流桥最低耐压:%3.2fV\n',Ubr);%开关电源功率因数cosPhicosPhi = 0.6;fprintf('开关电源功率因数设为:%3.2f\n',cosPhi );%输入整流桥最小有效值电流(A)Ibr = 2*Po/(eta*Uacmin*cosPhi);%取2倍余量fprintf('输入整流桥最小额定电流:%3.2fA\n',Ibr);%设计结束输入交流最小值:85V输入交流最大值:265V输入线电压频率:50HZ输出电压1为5.0V,输出电流为0.80A输出电压2为15.0V,输出电流为0.50A输出功率:12.0W效率:80%滤波电容:33uF输入直流最小值:91V输入直流最大值:375V设定最大占空比:45%反激电压:66.2V开关管最小耐压:533.72V工作模式为DCM所选磁芯最小面积乘积为:0.186cm^2初级绕组平均电流:0.165A初级绕组峰值电流:0.735A开关管能承受的最小电流:1.102A初级绕组有效值电流:0.285A初级绕组电感量:0.93mH原边匝数:77匝第1路输出副边绕组匝数:6匝第2路输出副边绕组匝数:18匝偏置绕组匝数:18匝开气隙前电感系数:2000.00nH/Turn^2开气隙后电感系数:156.43nH/Turn^2气隙长度:0.30mm集肤效应穿透深度:0.27mm原边导线线径:0.27mm,单股第1路输出副边电流峰值:3.39A第2路输出副边电流峰值:2.01A第1路输出副边电流有效值:1.45A第2路输出副边电流有效值:0.86A第1路输出副边导线线径:0.43mm,2股并绕第2路输出副边导线线径:0.47mm,单股第1路输出滤波电容纹波电流:1.21A第2路输出滤波电容纹波电流:0.70A第1路输出整流管最低耐压:42.75V第2路输出整流管最低耐压:128.26V偏置绕组整流管最低耐压:128.26V输入整流桥最低耐压:331.25V开关电源功率因数设为:0.60输入整流桥最小额定电流:0.59A。
MATLAB 仿真报告3题目:单端反激DC/DC 电路仿真反激变换器参数如下:额定功率50W ,输入电压72V ,输出电压15V ,滤波电容C=4.7mF ,开关器件选MOSFET ,开关频率20kHz ,变压器变比为72:18。
变压器选择SimPowerSystems 中的线性变压器,选择标幺值pu 制,额定功率和频率分别为50V A 和20kHz ,绕组1电压、电阻和电感分别为72V 、0.001和0,绕组2电压电阻和电感分别为18V 、0.001和0,励磁电阻和电感分别为200和20。
仿真时间0.1s 。
1. 额定负载的仿真。
计算额定时的负载电阻大小。
选择并调整合适占空比,使得输出电压为15V 。
记录输出电压波形,并记录稳态时MOSFET 的工作波形(电压,电流波形),输出整流二极管的工作波形(电压,电流波形)。
首先计算额定电阻值R = U 2P .则R =15250= 4.5Ω。
调整占空比,使输出电压保持在15V 左右,此时占空比D = 45%。
如图:输出电压波形:MOSFET稳定电流及电压波形如图:整流二极管稳态时的工作波形如下所示:2. 试改善上述电路的启动特性,减小输出电压超调。
想要改善电路的启动特性,可以通过增大电容得到。
如果将电路中的电容增大一倍。
可得到以下的输出电压波形:可由上图得到,电压的超调量有着明显减小。
右图中的超调量减小为63.115%。
也可以在输出环节加入RLC进行调节。
3. 小负载的仿真。
R=200欧姆。
设置直流电容初始电压为14V。
调整合适占空比,使得输出电压为15V。
记录输出电压波形,并记录稳态时MOSFET的工作波形(电压,电流波形),输出整流二极管的工作波形(电压,电流波形)。
将负载R调整到200Ω,电容初始电压调为14V,调整了占空比,使得D = 8.0%.得到如下所示输出波形:得到如下MOSFET电流电压波形:整流二极管的电流电压波形如图所示:。
学号:常州大学毕业设计(论文)(2012届)题目学生学院专业班级校内指导教师专业技术职务校外指导老师专业技术职务二○一二年六月反激式变换器电路仿真建模与分析摘要:开关DC-DC变换器是一种典型的强非线性时变动力学系统,存在各种类型的次谐波、分岔与混沌等丰富的非线性现象。
这些非线性现象严重影响开关DC-DC变换器的性能。
因此,深入分析和研究开关DC-DC变换器的分岔和混沌等非线性动力学现象,对开关DC-DC变换器的设计、运行及控制都具有重要的指导意义。
反激式变换器是一种隔离式开关变换器,该变换器利用变压器实现了输入与输出电气隔离。
变压器具有变压的功能有利于扩大变换器的输出设备应用范围,也便于实现不同电压的多路输出或相同电压的多种输出。
运用变压器进行隔离使电源与负载两个直流系统之间是绝缘的,即使输出短路也不会影响外部电源。
本文利用PSIM电路仿真软件进行电路仿真,给出峰值电流控制反激式变换器和电压反馈控制反激式变换器各电路参数变化时的时域波形和在输出电压-安匝和平面上的相轨图,并对输入电压和负载电阻两个参数进行分析,从而确定其稳定工作时的参数区域。
本文对反激式变换器进行建模和PSIM电路仿真分析,了解到该变换器在不同电路参数时的运行情况,有效地估计出该变换器处于稳定工作状态时的电路参数范围,有助于制作实际反激式变换器电路参数的合理选取。
关键词:反激式变换器;安匝和;峰值电流控制;电压反馈控制;稳定性;PSIM;仿真Simulation Modeling and Analysis of the fly back convertercircuitAbstract: Switching DC-DC converters are a type of strong nonlinear and time-varying dynamical systems with all kinds of nonlinear phenomena, such as subharmonic, bifurcation, and chaos. These phenomena will seriously impact the work of the switching DC-DC converters. So, the deep analysis and study of these nonlinear dynamical phenomena have an important significance for design of switching DC-DC converter.Fly back converter is a special switching DC-DC converter, in which the transformer is employed to isolate the input from output. And the use of transformer in fly back converter is convenient to expand the output range and realize multi-output.In this paper, using the PSIM software, the simulation circuits of peak current mode(PCM) controlled fly back converter and voltage mode(VM) controlled fly back converter are built. Based on the simulation circuit and different circuit parameters, the operation of PCM controlled fly back converter is analysed and studied by time-domain waveforms and phase portraits in inductor current and total ampere-turns plane. Besides, the input voltage and load resistor are considered as two variables to depict the steady-state and unsteady-state region of the converter. The research results can help to choose reasonable circuit parameters in designing fly back converter circuit.Key works:Fly back converter; Total ampere-turns; Chaos; Peak current mode control; V oltage mode control; Stability; PSIM; Simulation目次摘要 (I)目次 (III)1 引言 (1)2 开关DC-DC变换器及其控制技术简介 (2)2.1 开关DC-DC变换器 (2)2.1.1 Buck变换器 (2)2.1.2 Boost变换器 (2)2.1.3 Buck-Boost变换器 (3)2.1.4 反激式变换器 (3)2.2开关DC-DC变换器控制技术 (6)2.2.1 固定频率控制技术 (6)2.2.2 可变频率控制技术 (9)2.3 PSIM软件简介 (10)3 反激式变换器的建模与仿真分析 (11)3.1 PCM控制反激式变换器的PSIM建模 (11)3.2 PCM控制反激式变换器的仿真分析 (12)3.3 VM控制反激式变换器的PSIM建模 (14)3.4 VM控制反激式变换器的仿真分析 (14)4 反激式变换器的稳定工作参数域仿真与分析 (16)4.1利用输入电压和负载确定稳定工作参数域 (16)4.2 利用参考电流和负载确定稳定工作参数域 (21)4.3 利用参考电流和输入电压来确定作参数域 (24)5 结论 (27)参考文献 (28)致谢 (30)1 引言开关DC-DC变换器是一类典型的强非线性时变动力学系统,存在各种类型的次谐波、分岔和混沌等丰富的非线性现象[1-15]。
前言本文主要论述的是如何对理想的CCM模式下的反激式变换器进行闭环补偿设计,并观察验证补偿结果。
主要分两部分进行论述,一部分是利用小信号建模法建模并计算出相应的传递函数,并由反激变换器的CCM的工作条件算出一组参数。
第二部分是通过matlab对其开环特性的分析,选择合适的补偿方法,并通过simulink进行仿真观察验证。
1 反击变换器的现状反激式(Flyback)变压器,或称转换器、变换器。
因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名。
反激式变压器的优点有:1.电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求.2.转换效率高,损失小.3.变压器匝数比值较小.4.输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,目前已可实现交流输入在 85~265V间.无需切换而达到稳定输出的要求.反激式变压器的缺点有:1.输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用于150W以下.2.转换变压器在电流连续(CCM)模式下工作时,有较大的直流分量,易导致磁芯饱和,所以必须在磁路中加入气隙,从而造成变压器体积变大.3.变压器有直流电流成份,且同时会工作于CCM / DCM两种模式,故变压器在设计时较困难,反复调整次数较顺向式多,迭代过程较复杂.由于两种模式的仿真较复杂,本文只对CCM模式下的反激变换器进行仿真和讨论。
2 CCM 模式下反激式变换器的工作原理和传递函数的计算CCM 模式是指,反激式变换器中的变压器在一个周期结束时仍有部分的存储能量。
而这也是CCM 模式下讨论其工作原理和计算传递函数的基础。
CCM 模式下,反激式变换器有两个工作状态,一个是开关Q 导通,另一个是开关Q 断开,如图2.1所示。
V(t)V gD 开关Q断开V g D 开关Q 导通图2.1 CCM 模式下反击变换器的两个工作状态当开关Q 断开时有方程组:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=+-=+=])(,[),()(])(,[,)()(])(,[),()(s s s T L g T c T g L t d t t t i t i t d t t R t v t i t d t t t v t v当开关Q 导通时有方程组:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧++=++-=++-=],)([,0)(],)([,)()()(],)([,)()(s s g s s L c s s L T t T t d t t i T t T t d t R t v n t i t i T t T t d t n t v t v在周期平均法的基础上,通过在变换器静态工作点附近引入低频小信号扰动,从而对变换器进行线性化处理。
得到下列方程组:⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧+=+=><+=><+=><+=><^^^^^)()()()()()()()()()(t d D t d t v V t v t i I t i t i I t i t v V t v Ts L L Ts L g g Ts g g g Ts g最后推出CCM 模式下的反激变换器的传递函数:22220^^'')(')()()(^D s R n L Cn L s RD Vn n sL n V V n D s d s v s G M M M g v vd g ++-+=== 3 计算反激式变换器的CCM 参数实际中的反激式变换器因为涉及到CCM 和DCM 的工作状态转换和各种非理想条件而变得很难去用具体的公式去推一个具体的参数,所以实际中往往都是推出一个大概的范围。
但本文中只讨论的是理想的反激式变换器,不考虑各种非理想因素,所以可以用具体的公式来推导一个具体的值,并进行判断。
具体的推导步骤如下:(一) 确定电源规格1. 输入电压范围 : Vg=48V (实际应该是范围)2. 输出电压\电流: V=16V ,I=3.2A3. 变压器效率 : 100%(二) 工作频率和占空比确定1. 取工作频率: 100kHz 2. 占空比 : 50% 3. 周期 : 10us4. 开通\关断周期 : 5us(三) 变压器匝数比这里根据反激变换器CCM 直流稳态方程:g V V D D n D M =⨯=')(得出匝数比n=1/3。
也就是说变压器是n:1型(四) 初级电流变化值A T L V I on m g4.210510100486-6-1=⨯⨯⨯=⨯=∆这里假设Lm=100uH 。
(五) 初级电流峰值由效率100%可得out in P P =即:W T I V P I I T V I I t d V t I P out on g g T in on4661(max)1(min)1(max)1011012.510102.31610548)2(21)(21)()(---⨯=⨯⨯⨯=⨯⨯==⨯⨯⨯∆-⨯=⨯⨯+==⎰带入具体数值可得:46(max)11012.510548)4.22(21--⨯=⨯⨯⨯-⨯I得I1(max)=3.33A I1(min)=0.93A 。
显然电流最小值不为0,即工作在CCM 模式下,符合设计要求。
4 反激式变换器的闭环补偿网络设计分压器s (v ˆref 图4.1 反激式变换器闭环补偿网络框图4.1闭环补偿网络各模块简要分析4.1.1补偿网络Gc (s )此模块在开环分析中,忽略或者设置为1即可。
4.1.2 调制器Gm (s )PWM 调制器Gm(s)的作用是将补偿网络Gc(s)输出的控制信号Vc(t)转化为与之相对应的占空比d(t)的脉冲信号。
其传递函数如下:m m V s G 1)(4.1.3反馈分压网络H(s)反馈分压利用隔离放大器实现,其传递函数如下:H s H =)(4.2反激式变换器开环特性仿真和分析显然未加入补偿网络的开环传递函数公式如下:)()()()(0s G s G s H s G vd m =代入参数得:13.378.294.642.1063.4)(520950+++-=---s e s e s e s G代入matlab 中进行计算可以得出bode 图如图4.2所示。
图4.2反激式变换器未补偿前开环伯德图由bode 图,可以观察出未补偿前反激式变换器的各项特性如下:(一) 稳态性能 :原始系统的直流增益为10.8dB ,开环直流增益有限,是有静差系统。
若要消除稳态误差,需要增加PI 补偿网络,提高系统的型别。
(二) 稳定性能 :原始系统的相角裕度PM=-4.49°。
且穿越时斜率为-40dB/dec 。
需要进行超前补偿,使系统以-20dB/dec 的斜率下降并穿越0dB 线。
(三) 动态性能 :原始系统在自然震荡频率处存在两个极点使系统以-40dB/dec 的斜率下降并穿越0分贝线,造成原始系统截止频率Wc=710Hz 偏低,影响系统的动态特性。
4.3闭环补偿网络的设计通过上述分析可知,对于此理想反激变换器,闭环补偿网络既要使原系统变成I 型系统,还需要更改截止频率并增大相角裕度,所以应选用PID 控制器为串联补偿网络。
具体原因如下:(1) 利用PI 控制器调整系统的低频稳态性能,通过提高系统的型别,达到无静差要求。
(2) 利用超前校正中的PD 调节器调节系统的中频动态性能,使校正后系统以-20dB/dec 的斜率下降并穿越0分贝线,提高系统的相角裕度。
(3) 在保证中频段以-20dB/dec 斜率穿越0分贝线并具有一定宽度要求下,通过超前校正中的极点设置,增加校正后系统高频段的衰减斜率,从而有效地抑制高频噪。
PID 的传递函数如下式所示。
设计一个PID 补偿的关键就是如何确定其各个零极点。
)1()1)(1()(121p z z c w s s w s w s K s G +++=(一) 确定校正后的开环系统穿越频率穿越频率越高,系统动态特性越好,但同时需要考虑高频开关频率及其谐波噪声,以及寄生震荡引起的高频分量的有效抑制问题,因此,一般将校正后的开环系统穿越频率设置在)201~51(开关频率处,本例中的开关频率kHz f s 100=,选择穿越频率c f :kHz f fc s 1010==(二) 确定补偿网络的零极点频率式中的第一个零点1z w 与位于原点的极点组成PI 补偿网络,用来缓和PI 控制器极点对系统稳定性产生的不利影响。
一般可将该零点设在原始系统转折频率的)41~21(,即01)2/1~4/1(w w z =。
本例中原始系统的转折频率为)/(1016.3130s rad C L w e ⨯=⨯=则设置第一个零点频率3111026.1,200⨯==z z w Hz f第二个零点频率wz2设置在原始系统转折频率w0附近,即:322105.2,400⨯==z z w Hz f为了提高系统高频抑制能力,需将极点频率wp1设置在校正后系统穿越频率wc 的1.5倍以上。
本例将极点设置在穿越频率10kHz 的两倍频率处,即:kHz f f c p 2021==代入实际参数可得:s s 7.958e 4267 s 0.882 s 3.879e )(2006-2-005+++=s Gc5 补偿后特性的matlab 仿真和验证虽然按照期望的特性设计了一个闭环补偿网络,但是此网络是否就是这个特性,这个就需要仿真验证了,这里我们通过两个方法来验证此闭环网络的不同特性。
5.1闭环补偿网络的伯德图和冲击响应首先利用bode 图来观察其特性,其bode 图如图5.1所示图5.1反激式变换器补偿后伯德图从图中可以看出补偿后的几个特性:(一)稳态性能:补偿后系统型别为I,其直流增益为∞,是无静差系统,稳态性能符合期望值(二)稳定性能:补偿后系统的相角裕度PM=-31.6°。
但穿越时斜率为-20dB/dec,稳定性能符合期望值。
(三)动态性能:补偿后系统截止频率Wc=10kHz,动态特性符合期望值。
再利用系统的阶跃响应来检查系统是否稳定,其阶跃响应如图5.2所示。
显然系统是稳定的。
图5.2 反激式变换器补偿后阶跃响应5.2利用simulink仿真验证补偿后系统的各项特性图5.3反激式变换器仿真电路图在simulink的仿真中加入了三个扰动和一个期望值的跳变:(1)2e-3和2.1e-3时刻负载电压检测的幅值为1的跳变。
(2)3e-3时刻负载值跳变。
(3)输入电压在4e-3秒的幅值为3的跳变。
(4)输入电压零时刻开始的幅值2的白噪声。
各项扰动的响应如下列各图所示:图5.4反激式变换器补偿后对各类扰动和跳变的响应(一)图5.5反激式变换器补偿后对各类扰动和跳变的响应(二)从图中可以观察到,补偿后系统在这些扰动或者期望值跳变的情况下,仍能够保持稳定,并且能够快速的进入稳定状态,即动态性能也不错,而白噪声的加入对系统的输出的影响并不大,说明补偿后系统对高频噪声抑制能力也不错。