《開關電源仿真設計》PPT課件.ppt
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第7章開關電源仿真設計,開關電源的計算機仿真需要解決兩個基本問題：1、如何建立電路方程（仿真模型）；2、如何求解電路方程。開關電源系統(tǒng)的仿真步驟：1、建立系統(tǒng)的仿真模型，從而獲得描述系統(tǒng)的方程式2、構(gòu)造求解系統(tǒng)方程的算法。當系統(tǒng)比較簡單或者系統(tǒng)的階數(shù)較低時，通常可以得到系統(tǒng)的解析解；但當系統(tǒng)較復雜或系統(tǒng)的階數(shù)較高時，一般只有借助于計算機仿真方法，才能夠?qū)ο到y(tǒng)設計進行仿真。,開關電源電路的建模方法1、狀態(tài)變量法：以電路中的某些支路電壓和電流作為狀態(tài)變量，建立開關電源電路的狀態(tài)方程。2、節(jié)點分析法：EMTP、ATP、PECAN等程序,3、改進的節(jié)點分析法：求解方程時采用直接法，即將非線性代數(shù)—微分方程轉(zhuǎn)換為一組非線性差分方程，應用牛頓－拉夫遜法迭代求解方程組，利用稀疏LU分解技術連續(xù)求解線性代數(shù)方程組。4、狀態(tài)空間平均法：利用一周期內(nèi)平均狀態(tài)變量，將一個非線性、時變、開關電路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€等效的非線性、時不變的連續(xù)電路，因而可對開關轉(zhuǎn)換器作大信號瞬態(tài)分析，并可決定其小信號傳遞函數(shù)及零、極點配置，建立一個狀態(tài)空間平均電路模型。,SPICE和IsSPICE仿真程序SPICE是一種通用集成電路計算機分析程序，可用其對電路進行非線性直流分析、非線性瞬態(tài)時域分析和交流小信號時域和頻域分析等。SPICE應用了一組電路模型方程，基本分析工具是牛頓—拉夫遜迭代法。SPICE、IsSpice的仿真結(jié)果以數(shù)據(jù)文件形式表示，可以將它輸入其他軟件如MATLAB等，以便進一步對電路性能進行評估和尋優(yōu)。,MATLAB語言在開關電源仿真中的應用1、理想開關電源仿真模型：理想開關電源由一個電阻(Rm)、一個電感(Lm)和一個受邏輯信號G控制的開關串聯(lián)構(gòu)成。,,,理想開關電源完全由門極信號(G＞0或G＝0)控制。當G=0，阻斷正反向電壓及電流為零。當G＞0，電壓為零，電流可雙向流動。當觸發(fā)時，開關在開與關狀態(tài)的轉(zhuǎn)換瞬間完成。理想開關模塊還包括一個與之并聯(lián)的Rs-Cs串聯(lián)的緩沖電路。可以指定緩沖電路的Rs和Cs當指定Cs=0時，緩沖電路為純電阻當指定Rs＝0時，緩沖電路為純電容。當指定Rs＝Inf或Cs=0時，在理想開關的圖標上將不顯示緩沖電路,,(a)帶緩沖電路的圖標(b)不帶緩沖電路的圖標,理想開關模擬示意圖,2、晶閘管的仿真模型：晶閘管模型由一個電阻(Ron)、一個電感(Lon)、一個直流電壓源(Vf)和一個開關串聯(lián)而成。開關由一個邏輯信號控制，該邏輯信號由電壓VAK、電流IAK和門極觸發(fā)信號G決定。,晶閘管模塊包括一個Rs-Cs緩沖電路，它通常與晶閘管并聯(lián)?？梢灾付ň彌_電路的Rs和Cs指定Cs=Inf時，緩沖電路為純電阻電路當Rs=0時，緩沖電路為純電容電路。當指定Rs=Inf或Cs=0時，在晶閘管的圖標上將不顯示緩沖電路,帶緩沖電路的圖標不帶緩沖電路的圖標,晶閘管的伏安特性,當陽極和陰極之間電壓大于轉(zhuǎn)折電壓Vf且門極觸發(fā)脈沖為正向(G＞0)時，晶閘管導通。觸發(fā)脈沖的幅值必須大于零且有一定的持續(xù)時間，以保證晶閘管陽極電流大于掣住電流。當流過晶閘管的電流下降到零(IAK=0)，且陽極和陰極之間施加反向電壓的時間為晶閘管的關斷時間Tq時，晶閘管關斷。如果陽極和陰極之間施加的電壓在小于晶閘管的關斷時間Tq內(nèi)變正，即使沒有門極觸發(fā)信號(G=0)，陽極電流小于掣住電流，晶閘管也將自動導通。,,晶閘管的模擬示意圖,為了避免代數(shù)環(huán)(（AlgebraicLoop），晶閘管模型中的Lon不能為零。每增加一只晶閘管，就增加一個電路的狀態(tài)變量。因為晶閘管用電流源來模擬，所以它不能和電感、電流源以及開路電路串聯(lián)，除非使用了緩沖電路。,MATLAB在開關電源仿真中的應用（1）運用MATLAB強大的計算功能求解開關電源變換器方程式。（2）運用MATLAB頻域分析的工具研究電源變換器系統(tǒng)的控制性能。（3）運用MATLAB的SIMULINK、ToolBox工具仿真電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。,開環(huán)降壓式變換SIMULINK仿真,降壓式變換器的電路原理圖,IsSPICE的組成及功能特點1、電路圖輸入軟件SPICENet2、IsSPICE仿真軟件的模型庫3、數(shù)／?；旌祥_關電源電路仿真軟件IsSPICE44、IsSPICE仿真軟件的波形處理與分析軟件IntuScope5、IsSPICE仿真軟件的符號編輯器SymbolEditor6、IsSPlCE仿真軟件的文字編輯軟件IsEd,開關電源的最優(yōu)設計1、可行性設計：根據(jù)開關電路的基本原理，推導出開關電源的一些計算公式，并根據(jù)以往設計經(jīng)驗所提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可以對開關電源進行初步設計，結(jié)合實驗，反復修正，最后可以得到滿足給定性能指標要求的設計。2、最優(yōu)設計：融合數(shù)學方法與計算機輔助尋優(yōu)方法于一體的方法。最優(yōu)設計與可行設計關系是非常密切的，最優(yōu)的設計一定是可行的，反之則不同，可行的設計不一定是最優(yōu)的設計。,開關電源的主要性能指標1、輸出/輸入電壓比（Vo／Vi）2、輸出功率Po3、變換器效率4、輸出電壓紋波ΔVo5、對輸入電壓源Vi的電磁干擾（EMI）幅度的限制,開關電源主電路設計的內(nèi)容①電路拓撲形式的選擇②開關晶體管、整流二極管的電流及電壓的選擇③輸入輸出濾波器形式以及參數(shù)的確定④計算磁性元件（電感、變壓器、電流互感器等）的磁心規(guī)格、尺寸和繞組匝數(shù)、導線規(guī)格，以及電容的選擇等。,在開關電源的瞬態(tài)最優(yōu)設計內(nèi)容①選擇反饋控制方式：電壓反饋或電壓、電流反饋，分別稱為單環(huán)和雙環(huán)控制②補償網(wǎng)絡的拓撲形式：比例－積分－微分或PID放大器，PID參數(shù)的最優(yōu)設計等。,最優(yōu)設計的基本內(nèi)容1、目標：使某個技術指標或經(jīng)濟指標為最優(yōu)2、變量：使得技術指標或者經(jīng)濟指標達到最優(yōu)的參數(shù)值。3、約束：求最優(yōu)參數(shù)時要滿足各項性能或結(jié)構(gòu)工藝要求，即為求目標函數(shù)極值時所加的約束。目標和約束是開關電源最優(yōu)化設計變量的線性或非線性函數(shù)，一般情況下，工程優(yōu)化問題中是非線性問題。因此，在數(shù)學上，開關電源的優(yōu)化設計問題歸結(jié)為求解有線性或者非線性約束的非線性多變量（目標）函數(shù)的極值問題。,1、設計變量：開關電源在優(yōu)化過程中，在尚未到達最優(yōu)值時，隨著迭代過程而不斷變化的待確定的一組參數(shù)2、目標函數(shù)：選取一定的準則函數(shù)來判斷一個設計方案是否達到最優(yōu)。例如要求開關電源的輸出電壓紋波最小，那么輸出電壓紋波的數(shù)學函數(shù)就是這個準則函數(shù)。3、約束：在對開關電源或者其子電路進行優(yōu)化設計時，用等式約束或不等式約束表示設計結(jié)果應滿足的各項技術指標或者性能指標要求及其他結(jié)構(gòu)或工藝上的要求。,優(yōu)化數(shù)學模型的一般表示形式開關電源工程優(yōu)化設計的含義可描述為選擇n個最優(yōu)設計變量x*=(x1*，x2*，x3*，……，xn*)T使某個目標函數(shù)值為極大或極小，并滿足各項技術性能指標或其他設計要求。對于n維無約束優(yōu)化問題，一般情況下，可用下列數(shù)學模型描述minf(x)max-f(x)x∈En有m個不等式約束和p個等式約束的n維優(yōu)化問題可用下列數(shù)學模型描述：minf(x)x∈Ens.t.gi(x)≥0i=l，2，3，……，mhij(x)≥0j=l，2，3，……，pp
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