5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-22 占空比突升情况下输出电压波形对比 a) Boost 电路电压波形 b) Boost开关周期平均等效电路电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-23 占空比突降情况下输出电压波形对比 a) Boost 电路电流波形 b) Boost开关周期平均等效电路电流波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-26 输入电压突升情况下输出电压波形对比 a) Boost 电路电压波形 b) Boost开关周期平均等效电路电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-27 输入电压突降情况下输出电压波形对比 a) Boost 电路电流波形 b) Boost开关周期平均等效电路电流波形
反馈信号相减单元、误差放大器(又称控制器、补偿网络、补 偿放大器)、PWM调制器及功率器件驱动器构成。在DC/DC变
换器系统，误差放大器输出的控制量不是直接去控制变换器
主电路的功率器件，而是要将控制量变换成占空比大小与控 制量成正比的脉冲序列，然后再去驱动功率器件的导通或关 断。因此功率器件在一个开关周期中的导通时间与开关周期 之比等于脉冲序列的占空比，它与误差放大器的输出控制量 成正比。实现控制量到脉冲序列变换的单元就是PWM调制器。
图5-17
Boost变换器的开关周期平均模型等效电路
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-18 Boost变换器开关器件仿真模型和开关周期平均仿真模型对比 a) Boost 器件仿真模型 b) Boost 开关周期平均仿真模型
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-19 稳态情况下输入电流波形对比 a) Boost 电路电流波形 b) Boost开关周期平均等效电路电流波形
图5-30 线性化处理后的受控源 a) 受控电压源 b) 受控电流源
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-31 用开关平均模型导出的Boost变换器小信号等效电路
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-32 开关网络等效成理想变压器与电源组成的线性两端口网络
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-35 器件模型占空比正5%小扰动波形 a) 占空比 b) 输入电流 c) 输出电压
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-36 小信号模型占空比正5%小扰动波形 a) 占空比 b) 输入电流 c) 输出电压
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
了十分有效的工具。由于DC/DC变换器的小信号交流等效电路
形式并非唯一，本章还介绍了统一电路模地讨论DC/DC变换器系统的 稳定性及环路设计的基础概念。
图5-37 器件模型占空比正10%小扰动波形 a) 占空比扰动波形 b) 输入电流波形 c) 输出电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-38 小信号模型占空比正10%小扰动波形 a) 占空比扰动波形 b) 输入电流波形 c) 输出电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
现代电力电子学
第5章 DC/DC变换器的动态模型与控制
第5章 DC/DC变换器的动态模型与控制 5.1 功率变换器动态建模的意义
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
5.3 统一电路模型 5.4 调制器的模型 5.5 闭环控制与稳定性 5.6 本章小结
5.1 功率变换器动态建模的意义 20世纪，功率器件经历了从结型控制器件如晶闸管、功率GTR、
图5-43 器件模型输入电压负10%小扰动波形 a) 占空比扰动波形 b) 输入电流波形 c) 输出电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-44 小信号模型输入电压负10%小扰动波形 a) 占空比扰动波形 b) 输入电流波形 c) 输出电压波形
5.3 统一电路模型 由于采用不同的推导方法获得DC/DC变换器的小信号交流 等效电路形式可能不同，但通过电路变换，可以将它们变 换成统一的形式，如图5-45所示。统一电路模型几乎适用 于所有DC/DC变换器拓扑。有了统一电路模型，只需代入 某一DC/DC变换器的参数，即可得到对应DC/DC变换器小 信号交流等效电路。典型DC-DC变换器统一电路模型参数
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-28 输入电压突降情况下输出电压波形对比 a) Boost 电路电压波形 b) Boost开关周期平均等效电路电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-29
作小信号扰动后的Boost开关周期平均模型
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-14
开关网络两个端口的波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-15 用受控源代替开关网络后的Boost变换器电路
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-16 由图5-15求开关周期平均
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
GTO，到场控器件如功率MOSFET、IGBT、IGCT的发展历程，
功率器件的发展历程是一个向理想电子开关逐步逼近的过程。 功率器件性能日益提高，使得应用更加方便。功率变换电路拓 扑经历了从发展到逐渐稳定的过程。器件和电路的日趋成熟， 使得人们自然地将注意力转向电力电子系统的整体性能的优化 上来，电力电子系统的问题比以往受到了更多的关注。电力电 子系统问题包括控制系统分析与设计、功率变换器组合系统的
分析与设计、功率变换器的并联冗余设计、热设计、电磁兼容
设计等。
5.1 功率变换器动态建模的意义
图5-1
电力电子装置开发流程
5.1 功率变换器动态建模的意义
图5-2 不间断电源设备(UPS)系统框图
5.1 功率变换器动态建模的意义
图5-3
不间断电源逆变部分其中一相半桥逆变器的控制框图
5.1 功率变换器动态建模的意义
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-20 稳态情况下输出电压波形对比 a) Boost电路电压波形 b) Boost开关周期平均等效电路电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-21 占空比突升情况下输入电流波形对比 a) Boost 电路电流波形 b) Boost开关周期平均等效电路电流波形
图5-39 器件模型占空比负10%小扰动波形 a) 占空比扰动波形 b) 输入电流波形 c) 输出电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-40 小信号模型占空比负10%小扰动波形 a) 占空比扰动波形 b) 输入电流波形 c) 输出电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
5.4 调制器的模型
图5-46
Buck变换器系统
5.4 调制器的模型
图5-47
调制器原理
5.4 调制器的模型
图5-48
调制器模型
5.5 闭环控制与稳定性
图5-49
DC/DC变换器闭环系统
5.5 闭环控制与稳定性
图5-50 典型反馈 分压网络
5.5 闭环控制与稳定性
图5-51
原始电路增益函数(s)伯德图 a)幅频图 b) 相频图
图5-10
输出电压频谱
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-11 开关周期平均算子意义 a)h(t)函数 b) h(t)函数的幅频特性图
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-12 DC/DC变换器分割成 线性定常网络和开关网络
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-13 Boost变换器与开关网络 a) Boost变换器 b) 开关网络
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-24 占空比突降情况下输出电压波形对比 a) Boost 电路电压波形 b) Boost开关周期平均等效电路电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-25 输入电压突升情况下输出电压波形对比 a) Boost 电路电流波形 b) Boost开关周期平均等效电路电流波形
是控制系统的工程化设计的基础。下面通过一个具体的例子介
绍变换器动态模型的建模方法。
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-8
DC/DC变换器反馈控制系统
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-9 占空比宽度低频调制作用 a)占空比调制前 b) 占空比调制后
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-41 器件模型输入电压正10%小扰动波形 a) 占空比扰动波形 b) 输入电流波形 c) 输出电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
图5-42 小信号模型输入电压正10%小扰动波形 a) 占空比扰动波形 b) 输入电流波形 c) 输出电压波形
5.2 开关周期平均与小信号线性化动态模型
因此DC/DC变换器是一个非线性系统。但是当DC/DC 变换器运
行在某一稳态工作点附近时，电路状态变量的小信号扰动量之 间呈现线性关系。因此，尽管DC/DC 变换器为非线性电路，但 当考察它在某一稳态工作点附近的动态特性时，仍可以把它当 作线性系统来近似。变换器动态模型的建立就是基于以上思想， 通过简化的方法抓住主要矛盾，忽略次要因素，获得简洁的公 式，直观地反映变换器动态特性与电路元器件参数之间的关系，
5.5 闭环控制与稳定性
图5-52
回路增益函数G(s)H(s)=(s)(s)的幅频特性图
5.6 本章小结 本章重点介绍DC/DC变换器动态模型的求解方法。首先介绍了
开关周期平均的概念，在此基础上，以Boost变换器为例，推导