转换器电路基本原理及其建模

作者:未知

  摘 要:为减小开关变换器的输出电流及电压的突变,提高控制精度及其性能,本文以基本型转换器为研究基础,详细介绍了各式基本升压降压变换器的设计方法,并深对现使用广泛的boost转换器进行建模。通过MATLAB进行仿真,分析了boost转换器的工作特性,通过参数调节使其达到预期值。
  关键词:开关变换器;boost转换器;传输模式;小信号建模
  交流-直流转换器的原理是对所输入的交流电进行全波桥式整流,并对获得的整流器输出工作电压进行直流-直流转换。因此,直流-直流转换的技术性质基于交流-直流转换拓扑,交流-直流转换技术的发展趋势促进了直流-直流转换拓扑结构的不断出现[1]。
  1 转换器基本原理
  1.1 Buck转换器的基本原理
  Buck转换又名降压转换器。降压转换器适用于各种类型的降压电源开关[2]。当开关S导通时,二极管D对于反方向电流呈截止状态,同时电源电压Vs被添加到电感器L和电容器C[3]。Buck转换器的输入电流Is可被视为等同于流经电感器L中的电流Il。
  1.2 Boost转换器的基本原理
  Boost转换器也称为升压转换器。当开关管S导通的时候,二极管D对于反方向电流呈截止状态,UL=Vi[4]。当开关管S关断时,二极管D对于正向电流呈导通状态,并且电感器L中的电流不会突然改变[5]。电感器两侧的工作电压为Vout-Vs,并且开关电源电流Is仍等于电感器电流Il[6]。
  1.3 降压-升压转换器的基本原理
  Buck-Boost转换器又被称作是降压-升压变压器,可以达到工作电压的降低或升高变换的目的[7]。当电源开关管S导通时,将电源输入电压Vs添加到电感器L上,流经电感器L的电流增加,二极管D对反向电流呈截止状态,负载由耦合电容器C提供电能。当电源开关管S关断时,电源电Il根据二极管D续流,电感器L的能量存储迁移到负载和电容器C[8]。
  2 连续传输模式下(CCM)的升压转换器电源电路
  转换器电源电路的工作模式可被大致分成两种:CCM和DCM两种类型[9]。当Boost升压转换器的主电源电路以CCM模式为工作模式时,电路中会产生感应电流[10]。设置ton指示开关管的接通时间,设置toff指示开关管的断开时间,设置Ts指示开关周期的时间。假设电感器在传导链路中未饱和,电流增加ΔI,其中ΔI是流过电感器L的电流的谐波失真大小[11]。
  当开关管关闭时,为了保持电感器电流不会突然发生变化,电感器的两个直流电压方向相反。此时,二极管的传导损耗被忽略。也就是说,在此电路中,电感器电流线性度降低,并且在恒定的情况下,导通和断路的电感谐波失真电流ΔI相同,即Vo-ViL·toff=VoL·ton。
  3 升压电路模型建立
  升压转换器的特点是包含很多具有独立存在的电路元件,但在对多数模型进行仿真的时候,往往会忽视一些容易影响试验结果的次要因素,本文采用一种小数据信号建模方法来建立Boost电源电路的实体模型,该方法也是在CCM连续导通的工作模式下进行研究的实体模型的有效方法之一。
  在电源开关管Q导通时,电感器L的工作电压VL(t)和电容器C电流的工作电流ict分别为:
  通常,使用小信号分析实体模型来创建Boost升压变压器电路。同时,为分析小信号的特性提供了理论基础,并根据测量值进一步获得了转换器的必要性能参数,如被测目标传递函数和等效电路,等效电路输出阻抗。
  4 AC-DC转换器的仿真结果分析
  为了更好地验证控制转换器系统的特性,在MATLAB/SIMULINK平台上搭建仿真模拟电路,将仿真时间设置为1s,输入工作电压范围:170V~260V,电源电路开关频率100Hz,负载值160Ω,输出功率1kW,电源电路电容器250μH,电源电路电感330μF。由图可知,输入电压为周期性正弦波,经交流整流后输入电压的第一周期有20V左右的超调,在第三个周期后在每个峰值左右都会有小部分突变,经交流转换后电流初期同样存在部分超调现象。负载输出电压初期有部分超调,随后及时回落至400V,负载的初始输出电流部分超调的现象,除此以外的部分皆符合预期值。
  5 小结
  本文分析了直流转换器,根据开关管的导通和截止两种条件下电感和电流工作状态对输出电压电流的影响,进行了详细的等式计算,得到了可变电压转换器的平均动态方程。此外,还在MATLAB/SIMULINK平台上创建变压转换器的模型仿真。根据变压转换器的主要参数的有效设置,对控制系统进行定时,得到系统的电压波形和电流波形,并详细地对电压电流超调突变等动态性能参数进行分析。
  参考文献:
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  [2]柴琳倩.单相两级式AC/DC变换器的设计[D].北京交通大学,2019.
  [3]肖聪,汪斌,窦明佳.一种纯电动汽车DC/DC变换器选型设计与控制策略研究[J].汽车电器,2020(06):15-17+20.
  [4]睢丙东,赵鹤广,赵鹏.电动汽车DC-DC变换器主电路的参数设计[J].科技风,2019(24):5-6.
  [5]钟成,池尚霏.高性能升压型DC-DC电源变换器的设计研究[J].电子世界,2019(05):162-163.
  [6]仇皓霖.中功率高效AC/DC开关电源设计[D].西安电子科技大学,2019.
  [7]白雷.高功率密度单相AC-DC变换器研究[D].南京航空航天大学,2019.
  [8]鄭征,秦熙东,陶海军.车载充电电源DC/DC变换器数字控制系统设计[J].汽车技术,2019(07):53-58.
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