一種用于系統仿真的dc-dc變換器功能模型的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于系統仿真的DC-DC變換器功能模型。
【背景技術】
[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直流電壓輸出，是 一種能高效實現直流到直流功率變換的電力電子裝置。DC/DC變換器廣泛應用于車輛、航空 航天器供電系統中。
[0003] -個典型的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；功率開關管受控制器的控制信號控制，不斷的開通關斷來實現電壓的變換；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 過閉環調節等得到用于控制功率開關器件通斷的開關控制信號。此外，典型DC/DC變換器 還具有過流保護、過壓保護等功能，當負載電流過大或輸入電壓過高時，典型DC/DC變換器 根據設定的保護曲線控制功率開關管處于關斷狀態，從而實現故障保護。
[0005] DC/DC變換器的主要性能指標如下：
[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)輸入電壓調節效應：恒定負載下，輸入電壓由允許的最低值變化到允許的最高 值時，輸出電壓的變化幅值
[0010] 5)負載調節效應：恒定輸入電壓下，負載由空載變為滿載時，輸出電壓的變化值
[0011] 6)軟起動特性：在恒定輸入電壓條件下，DC/DC變換器起動時其輸出電壓由零變 化到期望輸出電壓的變化曲線
[0012] 7)保護功能：過壓保護、過流保護等保護功能
[0013] 8)沖擊電流：DC/DC變換器上電時，由輸入濾波電路帶來的沖擊電流
[0014] 9)輸出電壓動態響應：丨旦定輸入電壓條件下，當負載發生突變時，輸出電壓的下 降（上升）時間、恢復時間、跌落（升高）幅值等
[0015] 仿真作為一種重要的系統設計與評估手段，需要可正確反映DC/DC變換器特性的 模型。過去數十年都有學者針對DC/DC變換器的模型開展研究，但這些模型多基于對DC/DC 拓撲結構、控制結構和元件參數的充分了解；在沒有這些知識的情況下，往往難以建立準確 的DC/DC模型。而且這些模型由于過多注重實際DC/DC變換器的拓撲結構、控制結構和元 件參數，所以模型的仿真速度比較慢，不適合用于系統級建模仿真。
[0016] 現有技術一：狀態空間平均法建立DC/DC變換器模型
[0017] 狀態空間平均法實質為：根據由線性RLC元件、獨立電源和周期性開關組成的原 始網絡，以電容電壓、電感電流為狀態變量，按照功率開關器件的'0N'和'OFF'兩種狀態， 利用時間平均技術，得到一個周期內平均狀態變量，將一個非線性、時變、開關電路轉變為 一個等效的線性、時不變、連續電路，因而可對DC-DC開關變換器進行大信號瞬態分析，并 可決定其小信號傳遞函數，建立狀態空間平均模型。
[0018] 對于不考慮寄生參數的理想PWM變換器，在連續工作模式（CCM)下一個開關周期 有兩個開關狀態相對應的狀態方程為
[0019]
[0020] 式中d為功率開關管導通占空比，d=t/TOT，tOT為導通時間，T為開關周期；X= [kνε]，X是狀態變量，k是電感電流，是電容電壓；V是開關變換器的輸入電壓；y為輸 出狀態變量;Al，A2,Bl，B2,Cl，C2是系數矩陣，與電路結構和參數有關。
[0021] 對式（1)進行平均，得到狀態平均方程為
[0022]
[0023] 這就是狀態空間平均法，使得一個開關電路用一個線性電路來替代。
[0024] 現有技術一的缺點
[0025] ①狀態空間平均法以解析式形式描述低頻小信號擾動下的特性，不夠直觀；
[0026] ②當變換器有更多的開關狀態和含有更多的電容和電感動態元件時，狀態空間
[0027] 平均法需要進行大量的運算，運用起來非常復雜；
[0028] ③狀態空間平均法基于DC/DC變換器的拓撲結構、控制方式和參數認知的基礎 上，較適合于對DC/DC變換器進行設計分析時采用，而對于系統分析來說，一方面其拓撲結 構、控制方式、參數等信息往往是未知的，另一方面采用狀態空間平均法建立的模型往往比 較復雜，使得仿真速度慢甚至出現不收斂情況。
[0029] 現有技術二：電路平均法建立DC/DC變換器模型
[0030] 電路平均法技術方案
[0031] 電路平均法是從電路結構出發，利用時間平均技術進行電路分析，但當電路元件 增多，要得出平均后的拓撲結構需要很大的運算量。
[0032] 如圖1所示，把變換器的功率開關管和二極管作為整體看成一個三端開關器件， 用其端口的平均電壓、平均電流的關系來表征該模型，然后把它們適當地嵌入到要討論的 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
[0034] ①需預知開關變換器的直流穩態特性和動態特性；
[0035] ②電路平均法基于DC/DC變換器的拓撲結構、控制方式的基礎上，對于系統分析 來說，其拓撲結構、控制方式、參數等信息往往是未知的，這就造成采用電路平均法進行建 模時的困難。
【發明內容】
[0036] 本發明針對現有技術的缺陷提出一種用于系統仿真的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撲結構、控制結構和元件參數。該功能模型基于DC/ DC變換器的數據手冊或實驗測試數據。本發明提出的DC/DC變換器功能模型能夠體現DC/ DC變換器的以下特性：控制信號、穩態性能、軟起動、沖擊電流、輸出電壓動態性能及變換 器的保護功能。
[0037] 本發明采用了如下技術方案：
[0038] -種用于系統仿真的DC-DC變換器功能模型，其特征在于包括：
[0039] 控制邏輯部分，根據功率部分反饋的輸入電壓、輸出電流信號判斷DC/DC變換器 的工作狀態，根據DC/DC變換器的控制命令與DC/DC變換器的工作狀態進行邏輯判斷，發送 開通/關斷信號給功率部分，并在DC/DC變換器起動時輸出軟起動信號給功率部分；
[0040] 功率部分，根據開通/關斷信號和軟起動信號控制輸出電壓、輸入電流。
[0041] 優選地，控制邏輯部分包括：
[0042] 過流檢測模塊，對功率部分反饋的輸出電流信號進行判斷，當DC/DC變換器發生 過流故障時，過流檢測模塊輸出過流信號；
[0043] 過壓檢測模塊，過壓檢測模塊對功率部分反饋的輸入電壓信號進行判斷，當DC/DC 變換器發生過壓故障時，過壓檢測模塊輸出過壓信號；
[0044] 邏輯綜合模塊，將過壓信號、過流信號與控制命令進行邏輯運算，得到開通/關斷 信號以及軟起動模塊的控制信號；
[0045] 軟起動模塊，根據邏輯綜合模塊輸出的控制信號和輸入電壓生成軟起動信號。
[0046] 本發明所提出的DC/DC變換器功能模型，不基于開關變換器的拓撲結構、控制方 式和參數取值等信息的獲取，可反映DC/DC變換器的穩態性能，能反應輸入電壓、負載、輸 入電壓調節效應、負載調節效應、效率等對開關變換器性能的影響，包含開關變換器的軟起 動特性、過壓保護、過流保護等功能，具有輸入動態性能和輸出動態性能的模擬。模型的建 立僅需要DC/DC變換器的數據手冊或實驗測試數據，仿真速度快，特別適合于商用DC/DC變 換器的建模和系統級別的建模仿真分析。
【附圖說明】
[0047] 圖1是三端開關器件；
[0048] 圖2是三端開關器件平均電路；
[0049] 圖3是本發明原理框圖；
[0050] 圖4是本發明原理圖詳細剖分；
[0051] 圖5是開通關斷信號與輸出電壓；
[0052] 圖6是DC/DC變換器動態模型；
[0053] 圖7是DC/DC變換器沖擊電流；
[0054] 圖8是DC/DC變換器穩態模型；
[0055] 圖9是DC/DC變換器輸出電壓動態調節。
【具體實施方式】
[0056] 下面結合附圖詳細介紹本發明在實施過程中的所涉及的細節，以支持權利要求部 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] 控制邏輯部分根據功率部分反饋的輸入電壓、輸出電流信號判斷DC/DC的工作狀 態，根據DC/DC變換器的控制命令CMD與DC/DC的工作狀態進行邏輯判斷，發送開通/關斷 信號On/off給功率部分，并在DC/DC起動時輸出軟起動信號Soft-start給功率部分。功 率部分根據開通/關斷信號On/off和軟啟動信號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模塊組成， 用于模擬DC/DC變換器的過流保護功能、過壓保護功能、控制功能與軟起動功能。過流檢測 模塊對功率部分反饋的輸出電流進行判斷，當DC/DC輸出電流發生過流故障時，過流檢測 模塊輸出過流信號trip。（根據I2t曲線進行判斷，當I2t大于設定的閥值時認為發生過流故 障，電流越大該時間越小）用于控制DC/DC變換器關斷，使得變換器的輸出電壓、輸入電流 為零。過壓檢測模塊對功率部分反饋的輸入電壓信號進行判斷，當DC/DC輸入發生過壓故 障時，過壓檢測部分輸出過壓信號tripv(將輸入電壓與設定的過壓保護閥值進行比較，輸 入電壓大于保護閥值時，對DC/DC進行延時關斷；若在延時過程中輸入電壓降到保護閥值 以下則DC/DC不關斷，反之在延時過程中輸入電壓保持高于保護閥值，延時完成后關斷DC/ DC)用于控制DC/DC變換器關斷。邏輯綜合模塊將過壓信號tripv、過流信號trip。與控制 命