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移相全橋PWM开关电源小信号模型的建立

移相全桥PWM开关电源模型的建立 2005-08-29 降压型电路理想开关模型 理想开关模型建模时将开关器件如MOSFET、IGBT、VD等理想化,即设其开通和关断是不需要时间的,并且忽略器件的通态压降和断态电流。降压型电路开关器件理想化后如图1所示。 该电路工作时电路结构随着开关的开通和关断而变化,其电路方程也是随着开关的通与断而变化的。因此理想开关模型是时变的。电路的状态方程可以写成如下形式: 图1 (1) 式中, ;; ;;;;x是状态矢量;iL和uC是状态变量;ui是输入电压;D是占空比。 理想开关模型与实际电路很接近,利用这一模型进行分析得到的结果与实际情况吻合得很好。但理想开关模型是时变的,获得其解析解比较困难,因此通常用数值的方法来求解。 然而,数值方法总是针对某一特定的问题进行求解,无法获得对某一类控制系统具有普遍意义的结果,因此,常采用其他方法来建立模型进行分析,其中较普遍的状态空间平均法。 状态空间平均模型 理想开关模型具有时变性,但在开关处于通态和断态时,其电路结构和状态方程是确定的,也就是定常的。根据开关处于通态和断态时各自的状态方程及所占时间的比例,将(1)中两个不同时间段的方程按各自的时间比例加权平均,即可得到在一个开关周期内,系统近似的平均状态方程为 即 x+u (2) 该状态方程所刻画的模型即为系统的状态空间模型,该模型的方程是定常的,容易得到其解析解,可以获得对一类控制系统具有普遍意义的结果。 但是,由于状态方程对一个周期进行了平均,其解只能反映电路工作的整体平均状态,一些靠近开关频率的电路运行细节如电容电压、电感电流等随开关的通断而产生的波动不能得到体现,因此,状态空间平均模型仅在低于开关频率的1/5—1/10频带内有效,如果分析过程中涉及的频率接近或超过开关频率,其结果将失去意义。 事实上,利用等效电压源或等效电流源替代开关器件,可以直接导出状态空间平均模型:在理想开关模型中,计算每个开关管(包括二极管)在一个开关周期内电压和电流的平均值,然后用电压等于该平均电压的电压源,或电流等于该平均电流的电流源替代该开关器件,采用这种方法建立的状态空间平均模型如图2所示。 图2 由该模型建立的状态方程与式2相同。 小信号模型 在闭环情况下,占空比是动态变化的,在这种情况下,状态空间平均模型不是线性的,从式(2)可以看出,控制量D与输入量u之间存在耦合,即D与u的乘积项。为了实现解耦,需要对系统进行局部线性化。 设状态空间平均模型中,电路的状态方程统一表示为: (3) 设该电路的工作点为(x0,u0,d0),则在工作点附近将式(3)的右边展开为泰勒级数: 即 (4) 令,并略去高阶无穷小项,式(4)变为 (5) 该方程即是在工作点为(x0,u0,d0)附近的小信号模型的状态方程。 DC/DC开关变换环节传递函数 在式(5)的开关电路的小信号模型中,输入变量有两个,控制量和扰动量,状态变量也有两个,电感电流和电容电压。如果考虑负载R的动态变化,则扰动量还应有,式(5)应变为 (6) 对式(6)进行Laplace变换,得到复频域的小信号状态方程为 即 若可逆,则小信号模型状态方程在复频域的解为 (7) 式中,、、分别是状态变量与输入扰动量、控制量和扰动量之间的传递函数。 对于降压型开关电路,有 ; ;;,式中,、和分别是工作点处负载电阻值、占空比值、输入电压值和输出滤波电容电压值。 小信号模型状态方程在复频域的解为 (8) 式中, 因此,状态变量与输入扰动量间的传递函数为 (9) 写成表量形式为 (10) 状态变量与控制量间的传递函数为 (11) 写成表量形式为 (12) 状态变量与扰动量间的传递函数为 (13) 写成表量形式为 (14) 移相全桥PWM变换器小信号模型 移相全桥PWM变换器拓扑如图3所示。 图3 图4 其状态空间平均等效电路如图4所示,该电路与降压型电路的状态空间平均等效电路结构相同,差别仅在于输入电压包含变压器变比KT=n1/n2,因此,该电路输出电

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