DC-DC开关变换器建模方法的研究与仿真分析

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近年来,随着全球电子信息产业的蓬勃发展,DC-DC开关变换器在国防领域和民用电子工业领域得到了极其普遍的应用,因此对DC-DC开关变换器的研究是电力电子领域的核心研究内容之一。然而由于DC-DC变换器呈现非线性特性,因此其建模方法的研究具有一定的特殊性和复杂性。尽管国内外学者在建模方法上取得了一定的研究成果,但是通常情况下人们往往在选取建模方法上存在一定的盲目性,仅仅局限于一些传统的建模方法上,如状态空间法、三端开关法以及时间平均等效法。而这些方法本身存在一定的共同局限性,若在分析变换器性能过程中盲目选取建模方法则会导致电路分析不准确,从而影响整个系统的设计效率。因此有必要对其建模方法进一步深入研究,进而探索新思路,使开关变换器建模理论能够更加完善。本文首先以Boost变换器为例,分别运用状态空间平均法和三端开关法、时间等效法对其进行建模。对得到的数学模型进行仿真,仿真结果表明了传统的理想开关变换器建模方法存在:理想化程度过高、无法分析纹波以及无法反映开关频率对状态变量稳态结果的影响等三个方面的局限性。其次,为了验证开关变换器建模方法过于理想化给电路分析带来的影响,本文以Boost变换器为例综合运用三端开关建模法与能量守恒法,在全面考虑元器件寄生参数的情况下完成了非理想变换器建模。详细推导了建模过程,得到了其大信号模型、稳态等效模型和小信号等效电路模型,进行了稳态分析和动态特性分析。理论分析和仿真结果表明了建模时考虑寄生参数的重要性以及元器件寄生参数大小对系统稳态性能和动态性能的影响。最后,为了能够将等效小参量法可以求解稳态周期解的原理运用到分析DC-DC变换器稳态时电压电流的纹波大小中,本文首先利用时变等效电路平均法的思想,更方便地将系统的工作机理转化为等效小参量法能够解决的微分方程的形式。然后以Boost变换器为例代入电路参数得出了各个状态变量稳态时的纹波大小。仿真结果表明,这种建模方法可以分析稳态纹波以及能够反映开关频率对状态变量稳态结果的影响。且相比传统方法,建模过程更为简化。
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