开关电路建模方法.pdf

多年来，开关变换器的研究在国内外形成研究热点是建模技术的发展、拓扑结
构的拓展、及其控制方法的改进。建模方法的研究，不论是在自然科学和工程技术
领域，还是在社会科学领域，建立系统的数学模型，分析系统的特性是科研人员常
常需要面对的问题[61。通过系统数学模型的建立，科研人员可以深入分析和了解系
统的特征行为、运行的原理，对系统进行计算机仿真和实验预测，对系统的模式识
别作出相应的决策。当面对一个高度非线性、具有不确定性、多因素限制、强祸合
性的复杂系统时，传统的数学模型表示和分析方法已经很难满足，不能分析或者较
准确地反应系统特征，急切需要发展新的理论方法和特定的模型来表示这类系统。
因为开关变换器工作于闭环系统时是属于时变非线性周期性工作的状态，含有准谐
振开关变换器的系统也属于广义的非线性系统，传统的奈奎斯特图和拉氏变换等己
经不能直接应用，这就需要针对这种强非线性系统拓展出新的建模与分析方法，并
使分析方法尽量地精简、正确、全面和完善。在开关变换器拓扑结构拓展的研究是
电源技术的另一个研究热点，不断有新的研究成果问世，如半桥变换器、全桥变换
器、软开关技术等等，对开关功率器件换流过程的分析也日趋准确。而在控制方法
的发展方面，也由最开始单一的单、双闭环控制等发展到变结构控制方法[5][6]。
开关电源在实用中首先要求安全可靠，因此在变换器的设计和研制过程中就有
必要在以下几个方面进行深入的研究[6]:
1、拓扑的研究
论文第一章绪论
变换器的拓扑研究包含两个领域的工作:第一个研究领域是变换器电路参数的
优化，其目的是为了使变换器的设计成本、产品体积、稳态、各项动态和瞬态性能
达到一个优化较好的效果。参数优化的有效的手段目前来说就是先设计好变化器的
目标函数，然后对开关变换器得各项电路参数进行有效的参数优化工作。
第二个是变换器的主体拓扑结构，这方面的研究进展迅猛，到目前为止成果丰
硕:如升，降压结构，半桥结构、全桥带变压器隔离结构、全桥结构，半桥零电压
结构、全桥零电压结构、全桥零电压零电流结构等，每种结构各有优点和缺点，适
合各种不同的现场条件下的应用。
2、模型研究
在变换器主体拓扑结构遴选和电路参数(电感、电容、电阻、变压器等)确定
时，必须要考虑到变换器实际应用情况下的稳态、动态和瞬态三方面的特性都要达
标，才‘可以保证应用中的开关电源能够满足现场的电源提供需要和现场的电磁环境
适应需要。为达到这个目的，不能用实验的方法来确定每个电路参数，这样电源的
设计成本会太高，最科学的方法就是建立变换器的电路模型或者数学模型，对模型
进行计算机仿真研究，验证最初设计的有效性和实用性，不合理的地方加以改进或
从新设计，这样就节约了设计成本。鉴于这种原因，建立模型一方面能够很好地反
映变换器的实际特征，另外也要使得变换器电路的物理意义明确。
3控制方法的研究
最早采用的变换器控制策略多数是单纯的电压负反馈闭环控制，这是一种线性

控制方法，来源于传统的控制理论，电压负反馈控制采用的反馈电路结构简单，便
于分析和实际实现，缺点是对输入端电压扰动不能立即响应，从而导致电路动态响
应超调量很大，总体系统的动态响应时间较长。
接着，研究人员采用了电流负反馈闭环控制，即用电流变量作为反馈量的控制
方法。主要有电荷控制、峰值电流反馈两种。其中，电荷控制方法目前应用的很少，
只见其用于少数PWM直流一直流变换器电路的情况，该种控制策略在一个周期内，
开关上的电流值和整个导通周期内的取样电流的电荷成正比，电荷控制方法与峰值
电流反馈控制相比，除了含有峰值电流反馈控制的优点外，它的抗干扰能力更强，
而且也不需要锯齿波等附加电路来进行谐波抑制，但它目前应用面较窄，很难应用
到其他类型的变换器。
峰值电流反馈控制的拓扑结构较简单，容易实现，这种控制方法能够限制开关
功率管上电流的大小，使得整个开关变换器系统具有过载保护的能力，但它只适合
于PWM的占空比小于0.5的情况，占空比较大则会出现震荡或者不稳定的情况。
虽然电流反馈控制方法与电压闭环控制相比，可以有效地改善变换器的动态响
应特性和系统的稳定性，而且可以含有电流限流保护等优点，但如果系统仅有电流
学位论文第一章绪论
控制环节，就不能实现对输出电压直接有效的控制，这两种都属于是单闭环控制回
路，为了克服单闭环控制的缺点，近年来，双闭环反馈控制策略开始得到广泛的应
用。一般是内环采用电流反馈，而外环采用电压反馈，双环控制策略可以从变换器
电路同时获得电压和电流的反馈信息，综合了电压和电流控制各自的优点，可以得
到比单纯电压或者电流反馈控制更好的品质。但是这就对系统控制器的设计工作提
出了更高的要求:要求电流环路有尽可能高的低频增益和带宽，并有抑制开关噪声
的能力，还要有适当的稳定裕量。

解