直流变换器的建模与控制

目录1.引言 (2)1.1研究意义 (2)1.2研究内容 (2)2.直流-直流变换器的工作原理 (2)4 H桥DC/DC变换系统的电路仿真模型建立与实现 (6)5 结论 (11)心得体会 (12)1.引言1.1研究意义电能是现代工农业、交通运输、通信和人们日常生活不可缺少的能源。

电能一般分为直流电和交流电两大类，现代科学技术的发展使人们对电能的要求越来越高，不仅需要将将交流电转变为直流电，直流电转变为交流电，以满足供电能源与用电设备之间的匹配关系，还需要通过对电压、电流、频率、功率因数和谐波等的控制和调节，以提高供电的质量和满足各种各样的用电要求，这些要求在电力电子技术出现之前是不可能实现的，随着现代电力电子技术的发展，各种新型电力电子器件的研究、开发和应用，使人们可以用电力电子变流技术为各种各样的用电要求提供高品质的电源，提高产品的质量和性能，提高生产效率，改善人们的生活环境。

所谓变流就是指交流电和直流电之间的转换，对交直流电压、电流的调节，和对交流电的频率、相数、相位的变换和控制。

而电力电子变流电路就是应用电力电子器件实现这些转换的线路，一般这些电路可以分为四大类。

（1）交流—直流变流器。

（2）直流—直流斩波调压器。

（3）直流—交流变流器。

（4）交流—交流变流器。

本课题所要研究的是直流—直流斩波调压。

1.2 研究内容（1）工作原理分析（2）系统建模及参数设置（3）波形分析2.直流-直流变换器的工作原理直流—直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

直接直流变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。

间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为带隔离的直流—直流变流电路或直—交—直电路。

2 Buck 直流变换器的工作原理及动态建模DC/DC 变换器的概念7【】15【】19【】将一个固定的直流电压变换成可变的直流电压称之为DC/DC 变换，亦称为直流斩波。

用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的动作频率，或者改变直流电流通和断的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流的平均值。

Buck 变换器又称降压变换器、串连开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。

基本的DC/DC 变换器按输入输出之间是否有电气隔离可分为两类：隔离型DC/DC 变换器和非隔离型DC/DC 变换器。

非隔离型DC/DC 变换器中存在四种基本的变换器拓扑，它们是降压式（Buck ）型,升压式(Boost)型,升降压式(Buck-boost)型,Cuk 型，此外还有Sepic 型和Zeta 型变换器。

二电平Buck 直流变换器的工作原理及主电路图2【】13【】25【】26【】1 主电路拓扑Buck 变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。

它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成。

如图所示：图 Buck 电路主电路拓扑为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下假定。

(1) 开关晶体管、二极管均是理想元件。

也就是可以瞬间的导通和截至，而且导通时降压为零，截至时漏电流为零。

(2) 电感、电容是理想元件。

电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。

(3) 输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。

Buck 变换器的工作原理：当开关管S 导通时，电容开始充电，i U 通过向负载传递能量，此时，L i 增加，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截至；当S 关断时，由于电感电流L i 不能突变，故L i 通过二极管VD 续流，电感电流逐渐减小，由于二极管VD 的单向导电性，L i 不可能为负，即总有L 0i ,从而可在负载上获得单极性的输出电压。

I. 引言现代电子设备和电子系统通常由高密度、高速度的电路组成，这样的电路具有低压大电流的特性。

为了带动这样的负载，电源必须能在一个很宽的电流范围内提供稳定的电压，其稳态及暂态的整流特性也必须相当出色。

建模与仿真在现代DC-DC变换器的设计过程中扮演了很重要的角色。

它能让工程师在制作实际电路之前评估变换器的性能。

因此，我们可以在设计之初就发现并更正可能存在的设计缺陷，以提高生产率并节约生产本钱。

DC-DC变换器的建模和仿真在过去的十年里是一个热点[1]。

一般来说，变换器建模方法有两种：开关模型、平均模型。

在开关模型中，模型仿真了变换器的开关动作，仿真波形是包含了开关纹波的波形，这与实际看到的波形很相似。

而平均模型只仿真了变换器的平均特性，仿真波形也是平滑而连续的，这个波形代表了平均值而非实际值。

众所周知，对平均模型进展仿真要比开关模型快。

因此，平均模型常用于变换器动态性能的总体评估。

在过去，平均模型的仿真主要是用SPICE来完成的[2]。

SPICE的缺点在于仿真的对象必须是电路的形式，如果模型原型是复杂的方程式，那么要花费很大的精力将其转换成等效的电路形式。

尽管SPICE的新版本也开场支持建立纯数学模型，但是改善仍然有限。

最近，参考文献[3]介绍了一个不错的可以用在DC-DC变换器建模和仿真方面的工具——SIMULINK[4]。

然而，作者使用的变换器模型是线性化的，在大信号条件下，这个模型的仿真效果并不理想。

为了克制上述缺点，本论文讨论了如何应用SIMULINK在大信号条件下对DC-DC变换器进展平均模型的建模与方针。

本文拓展了文献[3]的研究，在变换器的功率和控制局部使用了非线性化的模型，从而改良了模型在大信号条件下的仿真效果。

下面将分别讨论Buck变换器的非线性化的模型，及相关的三个输出电压控制策略。

A. Buck变换器主电路拓扑Buck变换器主拓扑如图1所示：图1 Buck变换器Fig.1. Buck Converter在电流连续的模式下〔CCM〕——即开关开通的时候，电感电流连续——变换器表现为两个电路状态。

通过DC/DC转换器稳态建模来教学的方法
随着电力电子技术的不断发展及其应用范围的不断拓广，利用全控器件构成的开关变换器得到越来越广泛的应用。

为了适应这种变化，各国高校都在电力电子技术的教学中增加了相关的内容［1］［2］。

本文在参考国外先进教学方法的基础上，总结多年的教学经验，归纳整理出一套为DC/ DC 变换器建立稳态模型，并利用稳态模型分析直流变换器的稳态工作特性的教学方法和研究思路。

1直流变换器中元器件稳态损耗模型
为了在直流变换器的稳态模型中能够有效估算元器件的寄生参数所引起的损耗，必须首先为各种元器件建立稳态损耗模型［3］。

1. 1电感与电容元件的损耗模型
电感线圈的损耗主要包括铜损和铁损，利用泰克示波器可以测出这两类损耗。

在模型中可以用与电感串联的电阻来表征。

直流-直流变换电路建模与仿真一、降压式直流斩波电路1、工作原理：在控制开关VT导通ton期间，二极管VD反偏，电源E通过电感L向负载R供电，此间iL增加，电感L的储能也增加，导致在电感两端有一个正向电压Ul=E-u0，左正右负，这个电压引起电感电流iL的线性增加。

2)在控制开关VT关断toff期间，电感产生感应电势，左负右正，使续流二极管VD导通，电流iL经二极管VD续流，uL=-u0，电感L向负载R供电，电感的储能逐步消耗在R 上，电流iL线性下降，如此周而复始周期变化。

2．、仿真图。

电源参数，电压100v晶闸管参数，电感参数。

电阻参数。

电容参数设置波形图：3、小结1、在降压式直流斩波电路中，电感和电容值设置要稍微大一点。

2、输出电压计算公式：U0=DE。

3、当输入电压E不变时，输入电压Uo随占空比D的线性变化而线性改变，而于电路其他参数无关。

二．升压式直流斩波电路1、工作原理1）+当控制开关VT导通时，电源E向串联在回路中的L充电储能，电感电压uL左正右负；而负载电压u0上正下负，此时在R与L之间的续流二极管VD被反偏，VD截至。

由于电感L的恒流作用，此充电电流基本为恒定值I1，另外，VD截至时C向负载R放电，由于正常工作时，C已经被放电，且C容量很大，所以负载电压基本保持为一定值，记为U0，假定VT的导通时间前我t on,则此阶段电感L上的储能可以表示为EI1t off。

2）在控制开关VT关断时，储能电感两端电势极性变成左负右正，续流二极管转为正偏，储能电感与电源叠加共同向电容充电，向负载提供能量。

如果VT的关断时间为t off，则此段时间内电感释放的能量可以表示为（U0-E）I1t off。

2、仿真图电源参数，电压100v晶闸管参数，电感参数。

电阻参数。

电容参数设置波形图3、小结对于升压斩波电路，要使输出电压高于输入电源电压应满足两个假设条件，即电路中电感的L值很大，电容的C值也很大。

注意VT的导通和关断时间，电容的充放电规律和电感的作用。

混合动力汽车双向DC／DC变换器建模与控制双向DC/DC变换器是混合动力汽车中的关键技术之一，它主要的功能是使得电动机和储能元件之间的能量双向流动，实现汽车在行驶过程中对能量的回收。

首先分析了混合动力汽车双向DC/DC变换器的作用及其基本工作原理，然后，在不同工作模式下，通过分析确立了相应的控制目标，并分别建立了不同工作模式下的数学模型，进行双向DC/DC变换器控制器的研究与设计，最后，对提出的控制方案，通过仿真进行验证。

标签：双向DC/DC变换器混合动力汽车控制0 引言本文选择混合动力汽车中常用的双向Buck/Boost变换器作为研究对象，分析了其拓扑结构和工作原理，阐述了双向Buck/Boost变换器的数学建模及控制器的设计，重点分析了其启动模式、驱动/再生制动模式、充电模式的数学建模及控制器的设计。

最后对不同模式下的双向Buck/Boost变换器控制器的设计进行仿真验证。

1 双向Buck/Boost变换器的拓扑结构和工作原理1.1 拓扑结构图1表示了双向Buck/Boost变换器的拓扑结构。

输入侧为动力电池，输出侧用来驱动电机，当工作在Boost模式时，动力电池向负载提供能量；当工作在Buck模式时，负载向动力电池提供能量，从而实现能量的双向流动。

1.2 工作原理混合动力汽车的运行模式主要可以分为四种，启动模式，驱动模式，再生制动模式和充电模式。

当混合动力汽车启动瞬间，内燃机不工作，动力电池放电来启动汽车，此时，双向Buck/Boost电路的负载是启动电阻R；当混合动力汽车处于加速爬坡或重载的情况时，工作于驱动模式，动力电池经过双向Buck/Boost电路输出能量，驱动内燃机工作；当混合动力汽车处于减速制动的情况时，属于再生制动模式，此时能量经过Buck/Boost电路被动力电池回收；当混合动力汽车的电池能量不足，需要充电时，将工作于充电模式，负载经过Buck/Boost电路向动力电池充电。

基于SPWM控制的DC/AC变换器的建模与仿真图1.仿真原理图参数设置：仿真电路的直流电源设置500V,负载为三相RL对称负载，设置电阻为0.5Ω，电感为1mH，注意的是这里检测相电压相电流用多路测量器Multimeter（在Measurement中），所以要在Measurement中选Branch voltages and currents。

图2中可以看到多路测量界面中出现了Ub1 Ub2 Ub3，Ib1Ib2 Ib3对应的就是三相负载的相电压和相电流，右边拖进去的就是demux（在Signal Routing 中）输出的顺序。

图2.RLC参数设置图3.多路测量设置界面图4.计算基波图4为计算输出电压的基波分量图5为PWM发生器在simpowersistem/Extra Library/control Block中，三相逆变器用六个脉冲信号，所以选（6 pulses），载波频率一般选3000——8000左右，使用内部的调制信号，调制度可以自己设置，一般设置0.7左右图5.PWM发生器图6为逆变桥设置，这里我们要设置device为IGBT/Diodes图6.逆变桥图7.a 相电压输出波形可以发现相电压是6电平波，这里的c f 载波频率是1500Hz ，那么载波比N=1500=3050， 根据所学知识知道，N 越大，那么谐波含量就越少，下面图8就是通过FFT 分析输出相电压谐波含量，选取不同的N 值，那么谐波含量也就不同。

图8.相电压谐波分析图9.a相电流输出波形图10.a相电流谐波分析=1000Hz时的输出波形及谐波分析：当N=20时，也就是fc图10所示的就是相电压波形，可以看出要比N=30时要疏得多，图12为相电压的谐波分析，比较图12和图8发现，当N变小时，THD要变大，由原来的104.31%增大到105.84%。

同理，把图13和图14与图9和图10发现相电流的畸变也变大了，由原来的7.42%增到8.55%。

直流变换器的建模与控制综述
户秀琼
【期刊名称】《山西科技》
【年(卷),期】2017(032)006
【摘要】直流变换器已经被广泛应用于新能源发电、智能电网、工业节能、轨道交通、新能源汽车等多个领域,其建模与控制引起了学术界和工程界的重视.总结了直流变换器的多种建模方法以及控制方法,并对各种建模方法和控制方法的优缺点进行了评述,指出了直流变换器建模与控制方面的研究趋势,从而为以后直流变换器的建模与控制提供一定的参考依据.
【总页数】3页(P127-129)
【作者】户秀琼
【作者单位】攀枝花学院电气信息工程学院,四川攀枝花,617000
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.三电平直流变换器全模式小信号建模和控制器设计 [J], 谢桢;付立军;肖飞;艾胜;吕昊
2.三电平直流变换器混杂系统建模与控制 [J], 杨国润;肖飞;范学鑫;王瑞田;刘计龙
3.交错型大变比双向直流变换器建模与控制器设计 [J], 吴贵洋;李新光
4.三相双有源桥式直流变换器建模与控制方法 [J], 宋胜利; 李卓强; 姚志; 陈东; 许
景慧
5.基于DPS控制的双向全桥直流变换器的建模 [J], 卢建华; 郝凯敏; 陈泽宇; 李飞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。