一種用于系統(tǒng)仿真的dc-dc變換器功能模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于系統(tǒng)仿真的DC-DC變換器功能模型。
【背景技術(shù)】
[0002] DC/DC變換器將輸入直流電變換成另一固定的直流電壓或可調(diào)直流電壓輸出，是 一種能高效實(shí)現(xiàn)直流到直流功率變換的電力電子裝置。DC/DC變換器廣泛應(yīng)用于車輛、航空 航天器供電系統(tǒng)中。
[0003] -個(gè)典型的DC/DC變換器由功率主電路和控制器組成，功率主電路一般由輸入濾 波電路、功率開關(guān)器件、輸出濾波電路組成：輸入濾波電路用于減小DC/DC輸入電流的脈 動(dòng)；功率開關(guān)管受控制器的控制信號(hào)控制，不斷的開通關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)電壓的變換；輸出濾波 電路用于減小輸出電壓紋波。
[0004] 典型DC/DC變換器的控制器部分通過采集DC/DC變換器輸出電壓或電感電流，通 過閉環(huán)調(diào)節(jié)等得到用于控制功率開關(guān)器件通斷的開關(guān)控制信號(hào)。此外，典型DC/DC變換器 還具有過流保護(hù)、過壓保護(hù)等功能，當(dāng)負(fù)載電流過大或輸入電壓過高時(shí)，典型DC/DC變換器 根據(jù)設(shè)定的保護(hù)曲線控制功率開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。
[0005] DC/DC變換器的主要性能指標(biāo)如下：
[0006] 1)額定輸入電壓與允許輸入電壓變化范圍
[0007] 2)額定輸出電壓與輸出電壓變化范圍
[0008] 3)效率：隨輸入電壓、輸出電流的變化而變化
[0009] 4)輸入電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)：恒定負(fù)載下，輸入電壓由允許的最低值變化到允許的最高 值時(shí)，輸出電壓的變化幅值
[0010] 5)負(fù)載調(diào)節(jié)效應(yīng)：恒定輸入電壓下，負(fù)載由空載變?yōu)闈M載時(shí)，輸出電壓的變化值
[0011] 6)軟起動(dòng)特性：在恒定輸入電壓條件下，DC/DC變換器起動(dòng)時(shí)其輸出電壓由零變 化到期望輸出電壓的變化曲線
[0012] 7)保護(hù)功能：過壓保護(hù)、過流保護(hù)等保護(hù)功能
[0013] 8)沖擊電流：DC/DC變換器上電時(shí)，由輸入濾波電路帶來的沖擊電流
[0014] 9)輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)：丨旦定輸入電壓條件下，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，輸出電壓的下 降（上升）時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間、跌落（升高）幅值等
[0015] 仿真作為一種重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)估手段，需要可正確反映DC/DC變換器特性的 模型。過去數(shù)十年都有學(xué)者針對(duì)DC/DC變換器的模型開展研究，但這些模型多基于對(duì)DC/DC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)的充分了解；在沒有這些知識(shí)的情況下，往往難以建立準(zhǔn)確 的DC/DC模型。而且這些模型由于過多注重實(shí)際DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)和元 件參數(shù)，所以模型的仿真速度比較慢，不適合用于系統(tǒng)級(jí)建模仿真。
[0016] 現(xiàn)有技術(shù)一：狀態(tài)空間平均法建立DC/DC變換器模型
[0017] 狀態(tài)空間平均法實(shí)質(zhì)為：根據(jù)由線性RLC元件、獨(dú)立電源和周期性開關(guān)組成的原 始網(wǎng)絡(luò)，以電容電壓、電感電流為狀態(tài)變量，按照功率開關(guān)器件的'0N'和'OFF'兩種狀態(tài)， 利用時(shí)間平均技術(shù)，得到一個(gè)周期內(nèi)平均狀態(tài)變量，將一個(gè)非線性、時(shí)變、開關(guān)電路轉(zhuǎn)變?yōu)?一個(gè)等效的線性、時(shí)不變、連續(xù)電路，因而可對(duì)DC-DC開關(guān)變換器進(jìn)行大信號(hào)瞬態(tài)分析，并 可決定其小信號(hào)傳遞函數(shù)，建立狀態(tài)空間平均模型。
[0018] 對(duì)于不考慮寄生參數(shù)的理想PWM變換器，在連續(xù)工作模式（CCM)下一個(gè)開關(guān)周期 有兩個(gè)開關(guān)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程為
[0019]
[0020] 式中d為功率開關(guān)管導(dǎo)通占空比，d=t/TOT，tOT為導(dǎo)通時(shí)間，T為開關(guān)周期；X= [kνε]，X是狀態(tài)變量，k是電感電流，是電容電壓；V是開關(guān)變換器的輸入電壓；y為輸 出狀態(tài)變量;Al，A2,Bl，B2,Cl，C2是系數(shù)矩陣，與電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。
[0021] 對(duì)式（1)進(jìn)行平均，得到狀態(tài)平均方程為
[0022]
[0023] 這就是狀態(tài)空間平均法，使得一個(gè)開關(guān)電路用一個(gè)線性電路來替代。
[0024] 現(xiàn)有技術(shù)一的缺點(diǎn)
[0025] ①狀態(tài)空間平均法以解析式形式描述低頻小信號(hào)擾動(dòng)下的特性，不夠直觀；
[0026] ②當(dāng)變換器有更多的開關(guān)狀態(tài)和含有更多的電容和電感動(dòng)態(tài)元件時(shí)，狀態(tài)空間
[0027] 平均法需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，運(yùn)用起來非常復(fù)雜；
[0028] ③狀態(tài)空間平均法基于DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方式和參數(shù)認(rèn)知的基礎(chǔ) 上，較適合于對(duì)DC/DC變換器進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí)采用，而對(duì)于系統(tǒng)分析來說，一方面其拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)、控制方式、參數(shù)等信息往往是未知的，另一方面采用狀態(tài)空間平均法建立的模型往往比 較復(fù)雜，使得仿真速度慢甚至出現(xiàn)不收斂情況。
[0029] 現(xiàn)有技術(shù)二：電路平均法建立DC/DC變換器模型
[0030] 電路平均法技術(shù)方案
[0031] 電路平均法是從電路結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用時(shí)間平均技術(shù)進(jìn)行電路分析，但當(dāng)電路元件 增多，要得出平均后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要很大的運(yùn)算量。
[0032] 如圖1所示，把變換器的功率開關(guān)管和二極管作為整體看成一個(gè)三端開關(guān)器件， 用其端口的平均電壓、平均電流的關(guān)系來表征該模型，然后把它們適當(dāng)?shù)厍度氲揭懻摰?變換器中，變成平均值等效電路，如圖2所示。
[0033] 電路平均法的缺點(diǎn)
[0034] ①需預(yù)知開關(guān)變換器的直流穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性；
[0035] ②電路平均法基于DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方式的基礎(chǔ)上，對(duì)于系統(tǒng)分析 來說，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方式、參數(shù)等信息往往是未知的，這就造成采用電路平均法進(jìn)行建 模時(shí)的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0036] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提出一種用于系統(tǒng)仿真的DC/DC變換器功能模型，仿 真速度快，而且模型的建立不依賴于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)。該功能模型基于DC/ DC變換器的數(shù)據(jù)手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)測試數(shù)據(jù)。本發(fā)明提出的DC/DC變換器功能模型能夠體現(xiàn)DC/ DC變換器的以下特性：控制信號(hào)、穩(wěn)態(tài)性能、軟起動(dòng)、沖擊電流、輸出電壓動(dòng)態(tài)性能及變換 器的保護(hù)功能。
[0037] 本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
[0038] -種用于系統(tǒng)仿真的DC-DC變換器功能模型，其特征在于包括：
[0039] 控制邏輯部分，根據(jù)功率部分反饋的輸入電壓、輸出電流信號(hào)判斷DC/DC變換器 的工作狀態(tài)，根據(jù)DC/DC變換器的控制命令與DC/DC變換器的工作狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷，發(fā)送 開通/關(guān)斷信號(hào)給功率部分，并在DC/DC變換器起動(dòng)時(shí)輸出軟起動(dòng)信號(hào)給功率部分；
[0040] 功率部分，根據(jù)開通/關(guān)斷信號(hào)和軟起動(dòng)信號(hào)控制輸出電壓、輸入電流。
[0041] 優(yōu)選地，控制邏輯部分包括：
[0042] 過流檢測模塊，對(duì)功率部分反饋的輸出電流信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)DC/DC變換器發(fā)生 過流故障時(shí)，過流檢測模塊輸出過流信號(hào)；
[0043] 過壓檢測模塊，過壓檢測模塊對(duì)功率部分反饋的輸入電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)DC/DC 變換器發(fā)生過壓故障時(shí)，過壓檢測模塊輸出過壓信號(hào)；
[0044] 邏輯綜合模塊，將過壓信號(hào)、過流信號(hào)與控制命令進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到開通/關(guān)斷 信號(hào)以及軟起動(dòng)模塊的控制信號(hào)；
[0045] 軟起動(dòng)模塊，根據(jù)邏輯綜合模塊輸出的控制信號(hào)和輸入電壓生成軟起動(dòng)信號(hào)。
[0046] 本發(fā)明所提出的DC/DC變換器功能模型，不基于開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方 式和參數(shù)取值等信息的獲取，可反映DC/DC變換器的穩(wěn)態(tài)性能，能反應(yīng)輸入電壓、負(fù)載、輸 入電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)、負(fù)載調(diào)節(jié)效應(yīng)、效率等對(duì)開關(guān)變換器性能的影響，包含開關(guān)變換器的軟起 動(dòng)特性、過壓保護(hù)、過流保護(hù)等功能，具有輸入動(dòng)態(tài)性能和輸出動(dòng)態(tài)性能的模擬。模型的建 立僅需要DC/DC變換器的數(shù)據(jù)手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)測試數(shù)據(jù)，仿真速度快，特別適合于商用DC/DC變 換器的建模和系統(tǒng)級(jí)別的建模仿真分析。
【附圖說明】
[0047] 圖1是三端開關(guān)器件；
[0048] 圖2是三端開關(guān)器件平均電路；
[0049] 圖3是本發(fā)明原理框圖；
[0050] 圖4是本發(fā)明原理圖詳細(xì)剖分；
[0051] 圖5是開通關(guān)斷信號(hào)與輸出電壓；
[0052] 圖6是DC/DC變換器動(dòng)態(tài)模型；
[0053] 圖7是DC/DC變換器沖擊電流；
[0054] 圖8是DC/DC變換器穩(wěn)態(tài)模型；
[0055] 圖9是DC/DC變換器輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
【具體實(shí)施方式】
[0056] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明在實(shí)施過程中的所涉及的細(xì)節(jié)，以支持權(quán)利要求部 分。
[0057] 如圖3,圖4所示為DC/DC變換器功能模型原理框圖，包括控制邏輯部分與DC/DC 變換器功率部分。
[0058] 控制邏輯部分根據(jù)功率部分反饋的輸入電壓、輸出電流信號(hào)判斷DC/DC的工作狀 態(tài)，根據(jù)DC/DC變換器的控制命令CMD與DC/DC的工作狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷，發(fā)送開通/關(guān)斷 信號(hào)On/off給功率部分，并在DC/DC起動(dòng)時(shí)輸出軟起動(dòng)信號(hào)Soft-start給功率部分。功 率部分根據(jù)開通/關(guān)斷信號(hào)On/off和軟啟動(dòng)信號(hào)Soft-start控制輸出電壓、輸入電流。
[0059] 控制邏輯部分由過流檢測模塊、過壓檢測模塊、邏輯綜合模塊及軟起動(dòng)模塊組成， 用于模擬DC/DC變換器的過流保護(hù)功能、過壓保護(hù)功能、控制功能與軟起動(dòng)功能。過流檢測 模塊對(duì)功率部分反饋的輸出電流進(jìn)行判斷，當(dāng)DC/DC輸出電流發(fā)生過流故障時(shí)，過流檢測 模塊輸出過流信號(hào)trip。（根據(jù)I2t曲線進(jìn)行判斷，當(dāng)I2t大于設(shè)定的閥值時(shí)認(rèn)為發(fā)生過流故 障，電流越大該時(shí)間越小）用于控制DC/DC變換器關(guān)斷，使得變換器的輸出電壓、輸入電流 為零。過壓檢測模塊對(duì)功率部分反饋的輸入電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)DC/DC輸入發(fā)生過壓故 障時(shí)，過壓檢測部分輸出過壓信號(hào)tripv(將輸入電壓與設(shè)定的過壓保護(hù)閥值進(jìn)行比較，輸 入電壓大于保護(hù)閥值時(shí)，對(duì)DC/DC進(jìn)行延時(shí)關(guān)斷；若在延時(shí)過程中輸入電壓降到保護(hù)閥值 以下則DC/DC不關(guān)斷，反之在延時(shí)過程中輸入電壓保持高于保護(hù)閥值，延時(shí)完成后關(guān)斷DC/ DC)用于控制DC/DC變換器關(guān)斷。邏輯綜合模塊將過壓信號(hào)tripv、過流信號(hào)trip。與控制 命