精品文檔-下載后可編輯CCM模式Boost開關(guān)變換器的非線性建模和仿真-設(shè)計(jì)應(yīng)用DC-DC開關(guān)源具有高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn),但由于PWM開關(guān)變換器是強(qiáng)非線性時(shí)變電路,要準(zhǔn)確找到其解析解相當(dāng)困難。找到合適的模型進(jìn)行仿真,對DC-DC開關(guān)電源的設(shè)計(jì)具有重要的作用。

本文以開關(guān)元件平均模型法為基礎(chǔ),同時(shí)運(yùn)用了時(shí)間平均等效電路法、能量守恒法,研究了Boost變換器。在考慮功率MOSFET管導(dǎo)通電阻、二極管正向壓降和導(dǎo)通電阻、電感的等效串聯(lián)電阻、電容的等效串聯(lián)電阻、電感電流紋波的非理想的情況下,研究基本變換器在連續(xù)工作模式(CCM)下的電路平均模型,導(dǎo)出傳遞函數(shù),進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)小信號(hào)特性分析。應(yīng)用Matlab進(jìn)行仿真和研究。

1CCM下非理想Boost變換器建模

圖1所示為Boost變換器,圖2為考慮變換器寄生參數(shù)所得到的等效電路。其中,功率開關(guān)MOSFET等效為理想開關(guān)和導(dǎo)通電阻Ron的串聯(lián),二極管等效為理想開關(guān)、正向壓降VF、導(dǎo)通電阻RF的串聯(lián),RL、Rc分別是電感、電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)。令開關(guān)S的開關(guān)周期為Ts,導(dǎo)通時(shí)間為Ton,則占空比D=Ton/Ts?？梢砸来谓oost變換器的大信號(hào)模型和小信號(hào)模型。

圖1Boost變換器。

圖2考慮寄生參數(shù)的等效電路。

1.1Boost變換器大信號(hào)模型

考慮紋波影響的Boost變換器電感電流及開關(guān)電流:

且平均電感電流,電流紋波△iL=。電感電流一個(gè)周期的有效值為:

電感電阻的導(dǎo)通損耗功率為:

所以電感電阻RL在一個(gè)周期內(nèi)的等效電阻為:

同樣,通過開關(guān)S電流的有效值為:

該電流的平均值：

PRON為Ron的導(dǎo)通損耗功率,R‘on為Ron的等效電阻。

同樣可以得到RF的等效電阻:

根據(jù)式(7),R′on在電感支路中的電阻值可等效為:

R′F在電感支路中的電阻值可等效為:

再將三個(gè)串聯(lián)的等效電阻合并,得到電感支路中的總等效電阻為:

將二極管正向壓降VF折算到電感支路,由：

求得VF的等效壓降為(1-D)VF。

我們已經(jīng)根據(jù)能量守恒原理將兩個(gè)開關(guān)的寄生參數(shù)等效到電感支路中,再利用開關(guān)元件平均模型法,用電流控制電流源代替有源開關(guān)元件S,電壓控制電壓源代替無源開關(guān)元件D,即可得到如圖3所示的大信號(hào)平均模型。

圖3CCM下非理想Boost變換器的大信號(hào)平均模型

1.2直流等效模型

對變量進(jìn)行分解,分解為直流分量與交流小信號(hào)分量之和,即：則：

使電感短路,電容開路,即得到圖4所示的Boost變換器的DC模型,再根據(jù)式(12)可得到：

圖4CCM下Boost變換器的DC模型。

1.3小信號(hào)等效模型

假設(shè)小信號(hào)分量|^vi|

由此可得到非理想Boost變換器在CCM模式下的小信號(hào)線性等效模型,如圖5所示。

圖5CCM下Boost變換器的小信號(hào)模型

根據(jù)圖5可算得(1)輸出電壓^vo(s)對輸入電壓^vi(s)的傳遞函數(shù)Gvi(s)：

(2)輸出電壓^vo(s)對控制變量^d(s)的傳遞函數(shù)Gvd(s)：

其中,轉(zhuǎn)折頻率,品質(zhì)因數(shù)Q=右半平面零點(diǎn)。

2實(shí)際變換器的仿真研究

本文選用的實(shí)際Boost變換器各參數(shù)為Vi=10.8V,Vo=20V,Io=1A,電感電流紋波ΔiL=0.4A,R=20Ω,L=127μH,RL=0.66Ω,C=464μF,RC=0.09Ω,選用型號(hào)為IRFP260的MOSFET,Ron=0.055Ω,型號(hào)為FCH30A10的肖特基二極管,RF=0.025Ω,VF=0.4V,開關(guān)頻率fs=50kHz。D≈0.547,RE≈0.71Ω

上文推導(dǎo)出的工作于CCM的Boost變換器的各傳遞函數(shù)波特圖如圖6所示,①、②、③分別對應(yīng)以下情況:①RE≠0,RC≠0,VF≠0,ΔiL≠0,即既考慮變換器的寄生參數(shù),又考慮電感電流的紋波;②RE≠0,RC≠0,VF≠0,ΔiL=0,即只考慮變換器的寄生參數(shù),而不考慮電感電流的紋波;③RE=0,VF=0,RC=0,ΔiL=0,即考慮理想情況。

圖6Boost變換器的傳遞函數(shù)波特圖

(實(shí)線、虛線、點(diǎn)狀線分別對應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種情況,離散點(diǎn)為對實(shí)際變換器取樣所得的點(diǎn))

3結(jié)論

仿真結(jié)果表明:考慮寄生參