開關變換器的實用仿真與測試技術

前言

開關調節(jié)系統(tǒng)是一個帶有閉環(huán)控制的強非線性時變系統(tǒng)，其建模、控制、仿真以及實測技術一直是電力電子學研究領域的重要內容之一。這方面的理論與技術也是電力電子與電力傳動專業(yè)研究生、電類本科生以及從事開關電源研究與開發(fā)的工程技術人員必備的基礎知識。為滿足國內高校開設開關變換器建模與控制研究生課程的需要，2006年我編著了《開關變換器的建模與控制》一書，陳亞愛副教授作為第二作者，也參與了該書的編寫工作。目前，該書已被國內多所高校選作研究生教材，并于2008年被評為北京市精品教材。但到目前為止，尚未見到系統(tǒng)介紹開關變換器仿真與實測技術方面的教材，相關的文獻也很少。而對開關變換器頻率響應特性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的測試法是研究和設計開關調節(jié)系統(tǒng)必不可少的重要方法，是驗證和分析開關變換器穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性的重要手段。為此，編著一本適合研究生和電類高年級本科生使用的、滿足課程實踐性教學需要的教材，又能滿足工程技術人員需要的參考書，是很有必要的。陳亞愛副教授長期從事開關調節(jié)系統(tǒng)的建模、控制、仿真以及實測技術的研究工作，深入系統(tǒng)地研究了近年來公開發(fā)表的論文、軟件的使用和相關網(wǎng)站上的內容，形成了自己獨特的知識體系結構，也提出了一些實用的方法。所編著的《開關變換器的實用仿真與測試技術》一書對開關變換器的建模、控制、仿真與測試技術的各方面知識作了系統(tǒng)的論述，主要工作有：①在建模方面，重點討論了非理想變換器的模型，給出了CCM和DCM下的小信號精確模型，并用實驗和仿真的方法驗證了模型的正確性；②根據(jù)20世紀90年代以來在控制技術方面取得的研究成果，分析和歸納總結了開關變換器的各種控制技術的特點和適用場合，對常用的電壓控制、電流控制、單周期控制等技術和相應的控制系統(tǒng)設計作了詳細的介紹，通過實例給出了系統(tǒng)的設計方法和步驟；③給出了開關變換器的各種仿真模型和應用實例，較為系統(tǒng)和全面地論述了開關調節(jié)系統(tǒng)中仿真軟件的應用技術；④由于開關調節(jié)系統(tǒng)的環(huán)路增益測試是在高噪聲背景的小信號擾動條件下進行的，要想獲得準確的測量數(shù)據(jù)有很大的難度，該書系統(tǒng)地介紹了開關調節(jié)系統(tǒng)中主要元器件參數(shù)的測量和開關變換器頻率響應的測試技術，為從事開關電源設計的工程技術人員、研究人員和在校的研究生提供了開關變換器實用測試方法。

內容概要

本書系統(tǒng)地論述了開關變換器模型、控制方面的基本原理和實用設計方法、基本仿真和實驗測試技術，以及開關調節(jié)系統(tǒng)設計中的仿真與測試技術的應用。主要內容有：DC-DC變換器模型，開關變換器控制系統(tǒng)，仿真軟件簡介，開關變換器仿真模型及其應用，開關調節(jié)系統(tǒng)的測試技術?！　”緯鴥热葚S富、新穎、系統(tǒng)、實用，反映了20世紀90年代以來國內外學術界、工程技術界在該領域取得的主要研究成果和最新進展?！　”緯勺鳛楦叩裙た齐婎悓I(yè)研究生、高年級本科生的教材或教學參考書，也適用于從事開關電源工程設計和開發(fā)的研究人員、工程技術人員使用與參考。

書籍目錄

序 前言 第1章　DC-DC變換器模型 　1.1　概述 　1.2　連續(xù)導電模式下DC-DC變換器模型 　　1.2.1　大信號動態(tài)電路分析 　　1.2.2　DC-DC變換器的交流模型 　1.3　連續(xù)導電模式下非理想變換器模型 　　1.3.1　大信號動態(tài)電路分析 　　1.3.2　大信號動態(tài)電路模型 　　1.3.3　直流等效電路 　　1.3.4　交流小信號等效電路 　　1.3.5　交流小信號等效電路分析 　1.4　斷續(xù)導電模式下DC-DC變換器模型 　　1.4.1　用狀態(tài)空間平均法為DCM下變換器建模 　　1.4.2　直流與交流小信號等效電路 　　1.4.3　交流小信號等效電路分析 　1.5　斷續(xù)導電模式下非理想變換器模型 　　1.5.1　大信號動態(tài)電路模型 　　1.5.2　連續(xù)導電模式與斷續(xù)導電模式邊界的確定 　　1.5.3　直流等效電路 　　1.5.4　交流小信號等效電路 　　1.5.5　DCM下的交流小信號等效電路分析 　1.6　調制器模型 　1.7　小結 第2章　開關變換器控制系統(tǒng) 　2.1　開關變換器控制技術概述 　　2.1.1　傳統(tǒng)控制技術 　　2.1.2　新型控制技術 　　2.1.3　數(shù)字控制技術 　　2.1.4　模擬控制和數(shù)字控制的優(yōu)勢與不足 　2.2　電壓控制型開關調節(jié)系統(tǒng) 　　2.2.1　電壓控制型開關調節(jié)系統(tǒng)的組成及基本工作原理 　　2.2.2　電壓控制器設計 　　2.2.3　電壓控制型Buck變換器的分析與研究 　　2.2.4　系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析模型  　　2.2.5　一個實際的電壓控制型開關調節(jié)系統(tǒng)實驗 　2.3　電流控制型開關調節(jié)系統(tǒng) 　　2.3.1　平均電流控制型開關調節(jié)系統(tǒng) 　　2.3.2　峰值電流控制型開關調節(jié)系統(tǒng) 　　2.3.3　雙環(huán)控制型開關調節(jié)系統(tǒng)的分析與研究 　　2.3.4　一個實際的雙環(huán)控制型開關調節(jié)系統(tǒng)實驗 　2.4　其他控制型開關調節(jié)系統(tǒng) 　　2.4.1　概述 　　2.4.2　電荷控制 　　2.4.3　單周期控制　2.5　小結 第3章　常用仿真軟件簡介 第4章　開關變換器仿真模型及其應用 第5章　開關調節(jié)系統(tǒng)的測試技術 附錄 參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：DC.DC變換器的作用是進行能量傳遞與變換，其直流電壓的變換包括幅值   變換和極性變換。為了實現(xiàn)能量傳遞和變換，開關變換器是由采樣網(wǎng)絡、控制器、脈寬調制（PWM）環(huán)節(jié)、驅動器等控制電路組成系統(tǒng)閉環(huán)運行。該系統(tǒng)稱為開關調節(jié)系統(tǒng)，它是一個高階、離散、非線性、時變的病態(tài)系統(tǒng)。鑒于開關調節(jié)系統(tǒng)的特點，欲建立這個系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，從理論上得到瞬態(tài)響應的精確解析表達式是很困難的。近20年來，國內外學者為求解這個系統(tǒng)做了大量的研究，并取得了許多有實際工程意義的成果。求解的主要研究思路是：根據(jù)系統(tǒng)主電路在一個開關周期內分成幾個分段線性網(wǎng)絡的特點，建立分段線性狀態(tài)方程，在此基礎上，以系統(tǒng)的實際工作為依據(jù)，對系統(tǒng)進行適當?shù)暮喕?，得到能滿足工程要求的近似解。目前，較為典型的分析方法有，狀態(tài)空間平均法、離散時域法等。在上述兩類方法基礎上，又可分成以下幾種方法：1）大信號分析法。考慮系統(tǒng)的非線性特性，用求解非線性系統(tǒng)的方法進行分析，如相平面法、數(shù)字仿真法和各種基于數(shù)字控制器的先進控制算法等。2）小信號分析法。假設擾動信號很小，并且擾動信號的頻率比開關頻率小得多，在直流工作點（平衡點）附近線性化，將非線性方程近似為線性方程。然后應用經(jīng)典控制理論中分析線性系統(tǒng)的基本方法分析和設計系統(tǒng)，得出系統(tǒng)在平衡點附近有小信號擾動時的近似瞬態(tài)特性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。因此，研究開關調節(jié)系統(tǒng)的交流低頻小信號的動態(tài)性能是十分重要的。為了能在復頻域內分析和設計開關調節(jié)系統(tǒng)，本書主要采用小信號分析法。為此，本章主要介紹開關變換器的建模，1.2節(jié)和1.4節(jié)分別介紹理想開關變換器連續(xù)導電模式（CCM）和斷續(xù)導電模式（DCM）下的模型；為了獲得與實際電路更為接近的模型，1.3節(jié)和1.5節(jié)分別討論在考慮開關器件導通損耗和儲能元件串聯(lián)等效電阻的情況下，非理想開關變換器CCM和DCM的模型；在1.6節(jié)中對調制器進行了分析，建立了調制器模型。

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