轉(zhuǎn)換器電路基本原理及其建模

王一帆

摘 要：為減小開(kāi)關(guān)變換器的輸出電流及電壓的突變，提高控制精度及其性能，本文以基本型轉(zhuǎn)換器為研究基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了各式基本升壓降壓變換器的設(shè)計(jì)方法，并深對(duì)現(xiàn)使用廣泛的boost轉(zhuǎn)換器進(jìn)行建模。通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真，分析了boost轉(zhuǎn)換器的工作特性，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)使其達(dá)到預(yù)期值。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)變換器;boost轉(zhuǎn)換器;傳輸模式;小信號(hào)建模

交流-直流轉(zhuǎn)換器的原理是對(duì)所輸入的交流電進(jìn)行全波橋式整流，并對(duì)獲得的整流器輸出工作電壓進(jìn)行直流-直流轉(zhuǎn)換。因此，直流-直流轉(zhuǎn)換的技術(shù)性質(zhì)基于交流-直流轉(zhuǎn)換拓?fù)?，交?直流轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)促進(jìn)了直流-直流轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)[1]。

1 轉(zhuǎn)換器基本原理

1.1 Buck轉(zhuǎn)換器的基本原理

Buck轉(zhuǎn)換又名降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器適用于各種類(lèi)型的降壓電源開(kāi)關(guān)[2]。當(dāng)開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，二極管D對(duì)于反方向電流呈截止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)電源電壓Vs被添加到電感器L和電容器C[3]。Buck轉(zhuǎn)換器的輸入電流Is可被視為等同于流經(jīng)電感器L中的電流Il。

1.2 Boost轉(zhuǎn)換器的基本原理

Boost轉(zhuǎn)換器也稱(chēng)為升壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通的時(shí)候，二極管D對(duì)于反方向電流呈截止?fàn)顟B(tài)，UL=Vi[4]。當(dāng)開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，二極管D對(duì)于正向電流呈導(dǎo)通狀態(tài)，并且電感器L中的電流不會(huì)突然改變[5]。電感器兩側(cè)的工作電壓為Vout-Vs，并且開(kāi)關(guān)電源電流Is仍等于電感器電流Il[6]。

1.3 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的基本原理

Buck-Boost轉(zhuǎn)換器又被稱(chēng)作是降壓-升壓變壓器，可以達(dá)到工作電壓的降低或升高變換的目的[7]。當(dāng)電源開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，將電源輸入電壓Vs添加到電感器L上，流經(jīng)電感器L的電流增加，二極管D對(duì)反向電流呈截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載由耦合電容器C提供電能。當(dāng)電源開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，電源電Il根據(jù)二極管D續(xù)流，電感器L的能量存儲(chǔ)遷移到負(fù)載和電容器C[8]。

2 連續(xù)傳輸模式下（CCM）的升壓轉(zhuǎn)換器電源電路

轉(zhuǎn)換器電源電路的工作模式可被大致分成兩種：CCM和DCM兩種類(lèi)型[9]。當(dāng)Boost升壓轉(zhuǎn)換器的主電源電路以CCM模式為工作模式時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流[10]。設(shè)置ton指示開(kāi)關(guān)管的接通時(shí)間，設(shè)置toff指示開(kāi)關(guān)管的斷開(kāi)時(shí)間，設(shè)置Ts指示開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間。假設(shè)電感器在傳導(dǎo)鏈路中未飽和，電流增加ΔI，其中ΔI是流過(guò)電感器L的電流的諧波失真大小[11]。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，為了保持電感器電流不會(huì)突然發(fā)生變化，電感器的兩個(gè)直流電壓方向相反。此時(shí)，二極管的傳導(dǎo)損耗被忽略。也就是說(shuō)，在此電路中，電感器電流線性度降低，并且在恒定的情況下，導(dǎo)通和斷路的電感諧波失真電流ΔI相同，即Vo-ViL·toff=VoL·ton。

3 升壓電路模型建立

升壓轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是包含很多具有獨(dú)立存在的電路元件，但在對(duì)多數(shù)模型進(jìn)行仿真的時(shí)候，往往會(huì)忽視一些容易影響試驗(yàn)結(jié)果的次要因素，本文采用一種小數(shù)據(jù)信號(hào)建模方法來(lái)建立Boost電源電路的實(shí)體模型，該方法也是在CCM連續(xù)導(dǎo)通的工作模式下進(jìn)行研究的實(shí)體模型的有效方法之一。

在電源開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電感器L的工作電壓VL（t）和電容器C電流的工作電流ict分別為：

通常，使用小信號(hào)分析實(shí)體模型來(lái)創(chuàng)建Boost升壓變壓器電路。同時(shí)，為分析小信號(hào)的特性提供了理論基礎(chǔ)，并根據(jù)測(cè)量值進(jìn)一步獲得了轉(zhuǎn)換器的必要性能參數(shù)，如被測(cè)目標(biāo)傳遞函數(shù)和等效電路，等效電路輸出阻抗。

4 AC-DC轉(zhuǎn)換器的仿真結(jié)果分析

為了更好地驗(yàn)證控制轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的特性，在MATLAB/SIMULINK平臺(tái)上搭建仿真模擬電路，將仿真時(shí)間設(shè)置為1s，輸入工作電壓范圍：170V～260V，電源電路開(kāi)關(guān)頻率100Hz，負(fù)載值160Ω，輸出功率1kW，電源電路電容器250μH，電源電路電感330μF。由圖可知，輸入電壓為周期性正弦波，經(jīng)交流整流后輸入電壓的第一周期有20V左右的超調(diào)，在第三個(gè)周期后在每個(gè)峰值左右都會(huì)有小部分突變，經(jīng)交流轉(zhuǎn)換后電流初期同樣存在部分超調(diào)現(xiàn)象。負(fù)載輸出電壓初期有部分超調(diào)，隨后及時(shí)回落至400V，負(fù)載的初始輸出電流部分超調(diào)的現(xiàn)象，除此以外的部分皆符合預(yù)期值。

5 小結(jié)

本文分析了直流轉(zhuǎn)換器，根據(jù)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止兩種條件下電感和電流工作狀態(tài)對(duì)輸出電壓電流的影響，進(jìn)行了詳細(xì)的等式計(jì)算，得到了可變電壓轉(zhuǎn)換器的平均動(dòng)態(tài)方程。此外，還在MATLAB/SIMULINK平臺(tái)上創(chuàng)建變壓轉(zhuǎn)換器的模型仿真。根據(jù)變壓轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)的有效設(shè)置，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)，得到系統(tǒng)的電壓波形和電流波形，并詳細(xì)地對(duì)電壓電流超調(diào)突變等動(dòng)態(tài)性能參數(shù)進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊彥薇.數(shù)字型Buck/Boost雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)[D].西安石油大學(xué)，2020.

[2]柴琳倩.單相兩級(jí)式AC/DC變換器的設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)，2019.

[3]肖聰，汪斌，竇明佳.一種純電動(dòng)汽車(chē)DC/DC變換器選型設(shè)計(jì)與控制策略研究[J].汽車(chē)電器，2020（06）：15-17+20.

[4]睢丙東，趙鶴廣，趙鵬.電動(dòng)汽車(chē)DC-DC變換器主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2019（24）：5-6.

[5]鐘成，池尚霏.高性能升壓型DC-DC電源變換器的設(shè)計(jì)研究[J].電子世界，2019（05）：162-163.

[6]仇皓霖.中功率高效AC/DC開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué)，2019.

[7]白雷.高功率密度單相AC-DC變換器研究[D].南京航空航天大學(xué)，2019.

[8]鄭征，秦熙東，陶海軍.車(chē)載充電電源DC/DC變換器數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)技術(shù)，2019（07）：53-58.

[9]蔡環(huán)宇.高功率密度DC-AC變流器并聯(lián)系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué)，2016.

[10]崔昕旭.電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)功率因數(shù)校正模塊研究與開(kāi)發(fā)[D].吉林大學(xué)，2020.