（控制科学与工程专业论文）车载辅助控制电源建模分析与研究.pdf

小- 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盗旌日期：越也年月土日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：盗超 导师签名二坌驾乳日期：蒸厶年月l 日 i j 摘要 开关电源的核心是开关变换器。开关变换器是一个带有闭环控制 的高阶离散非线性时变系统，不能直接应用经典控制理论分析和设 计，这给开关调节系统的动态分析和设计带来了很大的困难。自2 0 世纪8 0 年代以来，开关变换器的建模一直是电力电子学研究的重要内 容之一，并已取得了许多成果。 在铁路行业，开关电源的使用越来越广泛，电力机车内控制电源 已经朝开关电源转化。因此本文以机车辅助控制电源为对象对开关变 换器的电路平均建模方法进行了重点的研究，有助于开关电源的性能 优化和设计效率的提高。 本文论述了电力机车d c l1 0 v 控制电源和辅助控制电源的结构， 并对辅助控制电源中b u c k 型开关变换器的基本原理和结构组成进行 讲解。在对开关变换器建模方法的现状进行研究后，重点介绍了电路 平均建模法，其中包括三端p w m 开关器件模型法、时间平均等效电 路模型法、能量守恒平均法。基于上述三种模型，作者提出了一种非 理想变换器在连续工作模式下的电路平均建模方法，该方法中既考虑 了开关器件的各种寄生参数，又简化了模型。并以辅助控制电源中的 b u c k 变换器为例，阐明新方法的建模思路与过程，得出了非理想b u c k 变换器的在连续工作模式下的大信号模型，并对该模型进行稳态和动 态小信号特性分析。 最后，文章介绍了车载辅助电源的b u c k 开关变换器在连续工作模 式下的闭环控制系统的设计，对基于非理想b u c k 变换器进行了p i d ；补 偿网络拓扑设计，并进行了小信号特性的仿真研究，验证模型的正确 性。在文章结尾处，对后续研究工作进行了展望，指出了本课题有待 研究的内容和方向。 关键词：开关电源，d c d c 变换器，电路平均法，非理想器件，仿真 一1 a b s t r a c t s w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l yi st h ec o r eo fs w i t c h i n gc o n v e r t e r s w i t c h i n gc o n v e r t e ri sac l o s e d - l o o pw i t hh i 曲- e n d ，d i s c r e t e ，n o n l i n e a r a n dt i m e v a r y i n gs y s t e m s ，c a nn o td i r e c t l ya p p l yc l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y a n a l y s i sa n dd e s i g n ，t h i ss w i t c hc o n d i t i o n i n gs y s t e m st od y n a m i ca n a l y s i s a n dd e s i g nh a s b r o u g h tg r e a td i f f i c u l t i e s 8 0y e a r ss i n c et h e2 0 t hc e n t u r y , s i n c et h em o d e l i n gs w i t c h i n gc o n v e r t e rh a sb e e na ni m p o r t a n tp a r to ft h e s t u d yo fp o w e re l e c t r o n i c s ，a n dh a sa c h i e v e dm a n y r e s u l t s i nt h er a i l w a yi n d u s t r y , m o r ea n dm o r ew i d e s p r e a du s eo f s w i t c h i n g p o w e rs u p p l y , e l e c t r i cp o w e rh a sb e e nm o v i n gc a rc o n t r o l l e ds w i t c h i n g p o w e rc o n v e r s i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rf o ra u x i l i a r yc o n t r o lp o w e rt o o b j e c tt ot h ea v e r a g es w i t c h i n gc o n v e r t e rc i r c u i tm o d e l i n gm e t h o d sf o c u s o nr e s e a r c h ，h e l pt oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fs w i t c h i n g p o w e rs u p p l y a n dd e s i g ne f f i c i e n c y t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ep o w e rf o re l e c t r i cl o c o m o t i v ed c110 v c o n t r o la n da u x i l i a r yc o n t r o lp o w e rs t r u c t u r e s ，a n dd i s c u s s e st h eb u c k s w i t c h i n g c o n v e r t e r sb a s i cp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e ，f o c u s i n go nt h e a v e r a g ec i r c u i tm o d e l i n gm e t h o d ，i n c l u d i n gt h et h r e e - t e r m i n a lp w m s w i t c hd e v i c em o d e l i n g ，a l la v e r a g ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lm e t h o d ， a v e r a g i n gm e t h o do fe n e r g yc o n s e r v a t i o n b a s e do nt h et h r e em o d e l s ，t h e a u t h o r sp u tf o r w a r dan o n i d e a lc o n v e r t e ri nc o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( c c m ) o f t h ec i r c u i ta v e r a g em o d e lm e t h o d ，w h i c hc o n s i d e r sb o t ht h e s w i t c h i n gd e v i c e si nav a r i e t yo fp a r a s i t i c ，b u ta l s os i m p l i f yt h em o d e l a c i r c u i ta v e r a g i n gm e t h o de x e m p l i f i e db yb u c kc o n v e r t e ri sp u tf o r w a r dt o c l a r i f y i n gi d e a sa n dn e wm e t h o d so fm o d e l i n gt h ep r o c e s s ，c o m et ot h e n o n i d e a lb u c kc o n v e r t e ri nc o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( c c m ) u n d e r l a r g e s i g n a lm o d e l t h em o d e li ss t e a d ys t a t ea n dd y n a m i cs m a l l s i g n a l c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ，a n dt h e o r e t i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ec o m p a r e dt ov e r i f yt h i sm o d e lo fd c d cc o n v e r t e re f f i c i e n c y f i n a l l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed c - d cs w i t c h i n gc o n v e r t e ri n c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( c c m ) ，t h ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m b a s e do nn o n i d e a lb u c kc o n v e r t e ri sap i dc o m p e n s a t i o nn e t w o r k t o p o l o g ya n dp a r a m e t e rd e s i g n ，a n dc o n d u c tas m a l l - s i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft h es i m u l a t i o ns t u d ya n dv e r i f ya c c u r a c yo ft h em o d e la n do nt h e c i r c u i td e s i g ng u i d e k e yw o r d s s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，d c d cs w i t c h i n gc o n v e r t e r ， a v e r a g ec i r c u i tm e t h o d ，n o n - i d e a ld e v i c e ，s i m u l a t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言。1 1 1 1 问题的提出1 1 1 2 课题来源1 1 2 开关电源的研究现状与水平2 1 3d c d c 开关变换器的建模技术4 1 3 1 状态空间平均法5 1 3 2 电路平均法7 1 4 本课题的研究内容8 第二章车载辅助控制电源的结构与分析9 2 1d c l l 0 v 控制电源的基本构成9 2 2 辅助控制电源1 0 2 3b u c k 变换器结构与工作原理1 1 第三章d c d c 变换器的电路平均法建模。1 6 3 1 引言1 6 3 2 三端开关器件模型法l6 3 2 1 三端p w m 开关的平均电路模型1 7 3 2 2 三端p w m 开关的小信号等效模型1 9 3 3 时间平均等效电路法2 0 3 4 能量守恒平均法2 5 3 4 1b u c k 变换器的大信号模型2 6 3 4 2 稳态电路模型及小信号模型2 7 第四章非理想b u c k 变换器的电路平均法建模2 9 4 1 引言2 9 4 2 非理想b u c k 变换器大信号模型2 9 4 2 1 非理想b u c k 变换器建模思路2 9 4 2 2 能量守恒原理在建模中的应用3 0 4 2 3 理想开关的处理及模型的简化3 2 4 3 直流电路模型及小信号模型3 4 4 3 1 直流电路模型3 4 4 3 2 小信号线性电路模型3 4 4 4 连续工作模式( c c m ) 传递函数。3 5 第五章b u c k 变换器的仿真与实验分析3 8 5 1b u c k 变换器的仿真分析3 8 5 2 实验分析4 1 第六章非理想b u c k 变换器的闭环控制研究4 3 6 1b u c k 开关变换器系统的工作原理4 3 6 2b u c k 开关变换器控制电路设计4 4 6 3 非理想b u c k 变换器的闭环模型与设计4 5 6 3 1 控制电路建模4 5 6 3 2 系统建模4 7 6 3 3 控制系统频域设计4 8 6 4 仿真验证5 1 第七章总结与展望5 4 7 1 结论5 4 7 2 展望5 4 参考文献5 5 致谢5 9 攻读硕士期间的主要研究成果：6 0 v 1 1 引言 1 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着电力电子技术的飞速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密 切。开关电源是电子设备正常工作的动力和心脏，也是电子设备的基础部件，因 此对开关电源有很高的要求。传统的线性稳压电源具有稳定性能好、输出电压纹 波小、使用可靠等优点，但是这种直流电源的缺点是只能降压不能升压，而且输 出与输入之间有公共端，通常需要另加电路来实现输出与输入的隔离，而工频变 压器与滤波器的体积和重量较大，限制了它的推广应用。此外线性稳压电源还有 一个主要缺点是串联晶体管的功耗过大，所有的负载电流都必须通过串联晶体 管。正是线性稳压电源的低效率和工频变压器笨重的缺陷，促进了开关电源的研 制开发【1 1 。 ： 开关电源是一种利用功率半导体器件作为开关的直流稳压电源，通过控制开 关的占空比，在转变时通过对开关变换器的自动闭环控制来稳定输出电压。它以 小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、 通信设备等几乎所有的电子设备。开关电源技术当前研究热点是开关变换器的拓 扑结构、建模技术及其控制方法。开关变换器是一个带有闭环控制的高阶离散 非线性时变系统，不能直接应用传统的经典控制理论分析和设计，这就要求运 用新的方法来对开关变换器进行建模与分析【2 】。 在铁路行业，开关电源在电力机车控制电源中得到了广泛的应用【3 】，开关变 换器模型一方面要很好地反映变换器的实际情况，即有较高的精确性，另一方面 该模型应该具有明确的物理意义。而非理想变换器的电路平均建模法正好具备了 对开关变换器模型的这种技术要求。因此本文将对非理想变换器的电路平均建模 法进行重点研刭4 。 1 1 2 课题来源 本课题来源于中国南车集团株洲电力机车研究所项目一电力机车专用l l o v 开关电源。 目前我国电力机车普遍采用l l o v 直流稳压电源，它与机车蓄电池并联运行， 为机车控制电路提供1 1 0 v 、4 8 v 、2 4 v 、1 5 v 的稳压电压。电力机车的供电品质 差，车内电磁环境恶劣，温度高，震动大，负载变化幅度大、变化频繁，对电源 调节控制功能要求十分苛刻，研制适合电力机车环境下的开关电源一直是许多厂 家和研究单位目标。随着计算机的性能越来越先进，开关电源仿真软件的功能 越来越强大，建模和仿真方法也越来越多，开关电源的建模和仿真于是成为开 关电源技术研究的一大热点。在电力机车上已经标准化、模块化的电源综合柜 是它的重要部分，专门为电力机车提供所需要的各种电压。控制电源柜提供直流 1 1 0 v 、4 8 v 、2 4 v 、1 5 v 电源，本文研究的辅助控制电源是1 1 0 v 4 8 v 开关电源。 在课题的研究过程中主要结合电力机车专用1 1 0 v 开关电源项目对辅助开关电源 的工作原理和建模与仿真分析进行了深入的研究。 车载控制电源由1 1 0 v 直流斩波产生4 8 v 电压，供给机车上一些设备，因 采用先进的开关电源技术，开关频率高达5 0 k h z ，故本电源具有重量轻、体积 小、效率高的特点。 根据中华人民共和国铁道行业标准中有关辅助控制电源技术条件，车载 4 8 v 辅助开关电源的主要技术参数为【3 】： ( 1 ) 输入直流电压：7 7 1 3 7 5 v ( 2 ) 输出直流电压：4 8 v 2 v ( 3 ) 输出直流电流：2 a ( 4 ) 电源工作频率：不小于1 5 k h z ( 5 ) 电源额定效率：大于7 0 ( 6 ) 环境温度范围：4 0 0 c 7 0 0 c 从技术条件中可以看出，这款开关电源特性带有明显的铁路行业特征，即： 输入直流电压范围宽，同时要工作在温度变化较大的环境中。 1 2 开关电源的研究现状与水平 1 9 6 4 年，日本n e c 杂志发表了两篇具有指导性的文章：一篇为“用高频技 术使a c 变d c 电源小型化”；另一篇为“脉冲调制用于电源小型化”。这两篇文 章指明了开关电源小型化的研究方向，即一是高频化，二是采用脉冲宽度调制技 术。经过将近1 0 年的研究、开发取得了良好的结果。1 9 7 3 年，美国摩托罗拉公 司发表了一篇题为“触发起2 0 k h z 的革命”的文章，从此在世界范围内就掀起了高 频开关电源的开发热潮，并将d c d c 变换器作为开关调节器用于开关电源。首 先被采用的是b u c k 变换器。到2 0 世纪8 0 年代中期，b u c k 、b o o s t 和b u c k - b o o s t 变换器也应用到开关电源中。到2 0 世纪7 0 年代中期，美国加州理工学院研制出 一种新型开关变换器，称为c l l k 变换器。c u k 变换器与b u c k - b o o s t 变换器互为 对偶，也是一种升降压变换器。到1 9 8 9 年，人们将s e p i c 和z e t a 也应用到了开 关电源中，使开关电源所采用的d c d c 变换器增加到6 种。到目前为止，通过 2 d c d c 变换器的演化与级联，开关电源所采用的d c d c 变换器增加到了1 4 种。 用这1 4 种d c d c 变换器作为开关电源的主要组成部分，就可以设计出使用于 不同场所、满足于不同性能要求和用途的、高性能、高功率密度的各种功率的开 关电源【5 j 【酬。 为了提高开关电源性能，开关电源朝着高频化、小型化、高效率和提高控制 精度等方向飞速发展。 l 、高频化 随着许多电子器件其外形尺寸的不断减小，供电电源所占的尺寸显得大得 多，人们在降低开关电源的体积、重量方面做了不少工作。为了实现高功率密度， 必须提高p w m 开关电源的工作频率。例如1 9 8 0 年以前，d c d c 变换器的开关 频率为2 0 - 5 0 k h z ，从2 0 世纪8 0 年代起，提高开关频率已成为减少开关电源体 积和重量的主要手段，同时也改善了开关电源的动态性能。目前，开关频率为数 百千赫至数兆赫的开关电源已经使用，1 0 0 - 5 0 0 k h z 已经成为1 0 0 w 输出d c d c 变换器开关电源的标准开关频率。 2 、高效率 提高电源的转换效率意味着降低电源的损耗，为了减少损耗，分别发展了软 开关技术和同步整流技术。 p w m 开关电源按硬开关模式工作时，在开关过程中，功率开关器件的电压 和电流波形有交叠，因而开关损耗大。高频化可以缩小感性元件和容性元件的体 积重量，但开关频率越高，开关损耗越大。人们研究了在开关过程中开关器件的 电压和电流波形不相交叠的技术，即所谓零电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 技术，总称为软开关技术。除了减小开关损耗以外，应用软开关技术还可以大大 降低开关的噪声，以及减小了开关电源对外界的电磁干扰。2 0 世纪9 0 年代中期， 3 0 a 4 8 vp w md c d c 变换器采用移相全校z v s p w m 技术后，重7 k g ，比用 p w m 技术的同类产品重量下降4 0 。软开关技术的开发和应用，提高了开关电 源的效率。 3 、控制技术 开关电源最初使用的控制策略是电压模式p w m 控制技术，它是开关变换器 最基本的一种控制方式，属于单闭环负反馈控制方式。电压负反馈控制采用的反 馈电路结构简单，便于分析和实现，主要缺点是动态响应较慢，如当输入电压突 变增加时，必须等到控制系统检测出负载电压上升时，才能产生负反馈调节作用。 为了改善变换器的动态响应特性，可以采用电压和电流混合负反馈，这就是 电流型控制，它是由e c s h i w a r z 于1 9 7 2 年提出来的。电流型控制技术实际上是 一种电压和电流双闭环控制，内环为电流负反馈环，外环为电压负反馈环。电流 3 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，但它也存在着控制精度不高， 抗高频干扰能力差，不适用于半桥变换器的缺点。 总之，目前开关变换器发展的技术趋势为：高频化技术、软开关技术、功率 因数技术，模块化技术等。各种新技术的出现也促使计算机建模与仿真技术的不 断向前发展【7 1 。 1 3d c d c 开关变换器的建模技术 d c d c 开关变换器的强非线性，以及它具有的离散和变结构的特点，使开 关电源研究起来不太容易。开关变换器的建模方法一般可分为两大类8 】【9 】：一类 称为解析建模仿真法；另一类称为数字仿真法，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 开关变换器的建模分类 解析建模法是建立在分析变换器工作机理的基础上，将开关变换器特性用一 组或者几组解析表达式来描述的方法，可以为设计提供比较直观的依据。其优点 是物理意义清楚，结果直观明了，这样研究人员就可以利用成熟的控制理论和线 性电路知识进行稳态和小信号建模分析，但存在精度较差的缺点。解析建模法的 主要成果有符号法、平均法、离散法等。解析建模法分为连续解析建模法和离散 解析建模法。近年来，连续解析建模法得到了很大的发展，该建模方法的核心思 想就是在一个周期内把几种不同状态的电路进行平均，得到由平均变量表示的电 路模型，再经过分解平均变量和对电路线性化，就能利用经典的线性电路理论和 控制理论来解决非线性电路的问题。离散解析法是建立以一个状态变量在一个周 期中的某些特定的离散点的差分方程，求解这个差分方程得到状态变量的解析表 4 达式。离散解析法是数值分析离散点，所以它精确度高，但得到的解析表达式太 复杂，很难用来指导设计，该方法的研究基本上陷于停滞阶段。 数字仿真法又称数值法，是利用各种算法对开关变换器进行数值计算，从而 得到变换器特性数值解的方法，它是根据特定的算法采用计算机处理而得到开关 变换器特性的数值解，所以很难显示出变换器的工作机理。数字仿真法又可以分 为间接数值法和直接数值法。间接数值法的优点是计算速度较快，但是数值计算 前需要对开关变换器建立一个专用的仿真模型，再应用适当的数值算法求解。直 接数值法是直接利用现有的通用电路分析软件，对变换器进行数值计算得到开关 变换器或者变换器系统解的方法。直接数值法的优点在于不必重新建立电路模 型，只需对局部电路建立等效子电路或仿真模型就可以达到分析变换器的目的， 使得设计工作更加简便。 1 3 1 状态空间平均法 m i d d l e b r o o kr d 等在1 9 7 6 年提出了著名的状态空间平均法【l o 】 1 l 】，至今仍应 用广泛。状态空间平均法的实质是以电容电压、电感电流为状态变量，根据开关 管的导通和关断分别写出两种电路的状态方程，然后在一个开关周期内对两种状 态的状态方程进行平均，再经过分离扰动、线性化等步骤将一个强非线性、时变、 开关电路转变为一个等效的线性、时不变、连续电路。同时，根据统一形式的状 态方程，还可以进一步建立统一结构的等效电路模型，将不同的变换器纳入相同 结构的等效电路中去，给变换器性能的分析与比较带来了方便。 对于工作在连续导电模式( c c m ) 的p w m 开关变换器来说一个开关周期 有两个拓扑，电路分开关s 导通和开关s 断开两个阶段。 在连续工作模式( c c m ) 下一个开关周期两个开关状态相对应的状态方程 为 0 s t d t( 1 1 ) d t t t ( 1 2 ) 式中：工= 【屯比】，z 为状态变量，屯是电感电流，是电容电压；形是开关变 换器的输入电压；y 是输出状态变量；4 ，鸣，蜀，岛，q ，c 2 是系数矩阵， 与电路结构和参数有关。 为了消除开关纹波的影响，需要对状态变量在一个开关周期内求平均，并为 平均状态变量建立状态方程。可以定义平均状态向量为 5 川z 一 4 印 叫g = 刮 ，一一 = f k r 眇 ，、一=-r，1 ( x ( f ) ) 互= 丢f + c x ( f ) d 丁 ( 1 3 ) 同理，也可定义平均输入向量( v ( f ) ) 与平均输出向量( 少( f ) ) c 。 对式( 1 1 ，1 2 ) 进行平均，得到状态平均方程蚴为 x t - 血们形0 f t ( 1 - 4 ) 【y = c x 式中a = d 4 + d 4 ，b = d b , + d 7 岛，c = dc l + d c 2 ，d = l - d 。这就是c c m 模式下d c d c 变换器平均变量状态方程。引入平均向量后，可以对变换器在一 个开关周期内不同阶段的工作状态进行综合考虑，并用统一的表达式表达出来。 这时变换器的时变电路变成了非时变电路，若d 为常数，则这个方程描述的系统 是线性系统。 对平均变量进行分解，分解为直流分量与交流小信号分量之和。令瞬时值 x = x + k ，y = 】，+ 夕，m = 巧+ q ，d = d + c ；，d = 1 一d = d 一0 。其中，i ，0 ， 包，舅，夕是相应d ，d ，形，x ，y 的扰动量。 将稳态量与扰动量分离，作小信号假设：各变量的交流小信号分量的幅值均 远远小于对应的直流分量，忽略其中的高阶微小量，以达到将非线性的小信号方 程线性化的目的。 得到变换器的静态工作点为 j 肚卅。1 b 巧( 1 - 5 ) 【y2 以 变换器交流小信号模型为 i c = a 未+ b ，y t + ( ，? ) x + ( 尽一岛) k o ( 1 - 6 ) 【夕= c 凳+ ( c i c ：) 五西 式( 1 6 ) 即为动态低频小信号状态平均方程【1 3 】，对任何类型的d c d c 变换 器建立了式( 1 6 ) 的小信号状态方程与输出方程以后都可以据此求得变换器的 各种动态小信号特性。对式( 1 - 6 ) 作拉氏变换，设各状态变量的初始值为零， 得到s 域小信号模型 j 西( s ) = 做( s ) + 融( j ) + 9 4 ) x + ( 蜀一垦) k c ；( s ) ( 1 - 7 ) 【夕( j ) = & ( s ) + ( q c 2 ) 财( s ) 整理后，得 6 酗 _ 裂矧) j 心l a ( 期 仆8 ， 【多( s ) j 【- g 2 。( s ) g 2 ：( s s ) j “ 对式( 1 8 ) 作拉氏法变换，即可求得变换器的时域状态变量和输出变量， 同时，还可以得到变换器的各项传递函数。采用这种分析方法的主要优点为：可 以利用经典的线性电路理论和控制理论对开关变换器进行分析，物理概念清晰， 方法易掌握。缺点为：状态空间平均法以解析式形式描述低频小信号扰动下的特 性，不够直观；当开关变换器结构比较复杂，储能元件较多时，需要进行大量的 计算，运用很不方便 1 4 1 ；而且，状态空间平均法不适用于谐振变换器。 1 3 2 电路平均法 电路平均法【1 5 1 6 1 是从开关变换器的主电路出发，利用时间平均技术进行电 路分析，保持原电路的拓扑结构不变，用受控源来替代开关元件，得到一个含有 受控源的电路。通过平均电路法，可以得到一个非线性平均电路模型，再进一步 线性化以后得到小信号线性电路模型。采用平均电路模型分析的优点是：概念非 常简单、清晰、可以从电路的角度来处理。电路平均法可以分为以下几种：三端 开关器件模型法、时间平均等效电路法、能量守恒平均法。 1 9 8 7 年美国弗吉尼亚功率电子中心的v o r p e r i 锄v 提出了三端开关器件模 型法，该方法的核心思想是把变换器的开关管和二极管作为整体看成一个三端开 关器件【l7 】【l 引，根据开关管闭合与断开时的不同电路状态，计算出三端开关器件 的端口平均电压、平均电流。再根据端口处的电压、电流的平均变量的关系建立 一个由受控源构成的等效电路，然后把它们适当地嵌入到要讨论的变换器中，就 可以得到该变换器的大信号等效电路模型。图1 2 就是一个三端开关器件。 口 rj - 上、 l 吲 z p 图1 2 三端开关器件 其中a 端为有源端，p 端为无源端，c 端为公共端。 1 9 8 8 年许建平等提出时间平均等效电路建模方澍1 9 】【2 0 】【2 l 】，这种方法是将变 换器中的所有开关元件作为一个整体，将其视为一个二端口( 或多端口) 网络， 然后以这个二端口( 或多端口) 网络为研究对象，通过分析端口变量间的关系， 利用电路理论中的替代定理将开关变换器中的开关元件用受控电压源或受控电 流源进行替代变换，根据二端口( 或多端口) 网络在端口处的电压、电流的平均 7 变量的关系建立一个由受控源构成的等效网络，该方法只需对开关变换器进行简 单的等效变换处理即可获得平均电路，具有直观，物理意义明确的优点。 能量守恒平均法是1 9 9 2 年由c z a r k o w s k id 等提出的，在建模过程中充分考 虑各种寄生参数，这些寄生参数包括开关器件的开通电阻和二极管的正向导通电 压。因此在变换器中用理想开关与开通电阻的串联来等效功率开关，用理想开关 与导通电阻及正向导通电压的串联来等效二极管，用受控源来替代理想开关，最 后根据能量守恒原理将所有的寄生电阻折算为到电感支路中，由此得到开关变换 器的等效电路模型。 1 4 本课题的研究内容 本论文分为七章： 第一章绪论，介绍论文背景、国内外研究动态和论文内容。 第二章车载辅助控制电源的结构与分析，主要介绍电力机车d c l l 0 v 控 制电源和辅助控制电源的结构、b u c k 型变换器在连续工作模式下的基本原理， 其中包括电路组成、工作波形、主要关系式，为后面几章建模分析提供电路基础。 第三章理想变换器的电路平均法建模，着重阐述了电路平均法的建模理论 和方法，包括三端开关器件模型法、时间平均等效电路法、能量守恒法，并提出 了各自的优缺点。 第四章非理想b u c k 变换器的电路平均法建模，本章结合三端开关器件模 型法、时间平均等效电路法、能量守恒法各自的优点，提出了考虑开关管开通电 阻、二极管正向压降和正向电阻、电感的等效串联电阻、电容的等效串联电阻的 b u c k 变换器在连续工作模式下的电路平均法建模。 第五章非理想b u c k 变换器的电路平均法仿真，建立了b u c k 变换器的电路 平均法模型，结合实例进行了理论仿真和实验验证。 第六章在第四章提出的非理性电路平均建模法指导下，对b u c k 变换器系 统进行闭环设计，最后通过仿真系统开环传递函数，来验证所建立模型的准确性。 第七章总结和展望，总结了全文的主要工作，重点指出了本文的研究意义。 并对本文的进一步研究工作提出了设想。 第二章车载辅助控制电源的结构与分析 2 1d c l l 0 v 控制电源的基本构成 韶山系列电力机车的控制系统是由控制电源柜提供1 1 0 v 、4 8 v 、2 4 v 、1 5 v 电源。它专门为机车上的电子控制柜和其他的电子设备提供工作电源。为了满足 这些要求，机车上的控制电源柜中集中了一些电源功能模块插件，专门产生所需 电压。 电力机车上的直流ll0 v 电源是控制电源柜及蓄电池组构成【2 2 】，保证控制供 电的可靠性。在通常运行情况下，两者并联为机车提供稳定的1 1 0 v 电源；在降 弓情况下蓄电池供机车做低压实验和照明用；在运行中电源柜故障情况下，蓄 电池作维持机车故障运行的控制电源。控制电源柜的结构如图2 1 所示，它由高 柜和低柜两部分组成。高柜顶端是该柜对外连线的两个插座。高柜内上层是控制 插件箱，控制插件箱中装有一个a ，b 组转换的开关及4 块插件，其中两块1 1 0 v 电源的“稳压触发”插件，两块是“电源”插件( 即1 1 0 v 变4 8 v ，2 4 v ，1 5 v 一辅助 控制斩波电源) 。中间面板上装有电压表和电流表各一块；照明灯、照明灯开关 和单级自动空气开关共计2 2 个。低柜的上方安装机车的电子控制柜，主要由柜 体、插件箱和插件三部分组成。如图中虚线部分。低柜内上层为a 组控制系统 的插件箱，中层为风扇层，下层为b 组控制系统的插件箱。插件的主要功能是 作为机车蓄电池回路和电子电路之间的接口，对进出电子控制柜的直流电位进行 隔离，以消除1 1 0 v 回路由于各有接点电器动作导致的干扰。开关板上还装有两 个开关：整流输出开关，即整流桥输出与蓄电池相连接的开关；负载开关，即 1 1 0 v 电路的总负载开关。 9 1 23456 7 8 移嘲廖夥砌 弱彩黝。谚镌黝缀嬲黔名，硼獭缀獭 f 么 # | ， 回 国囝团 1 ； 鼍 | k钰。， 7 笏一f一7 “r 一灞 搦 承 嚣 翻 f 阻。么 ? 缵缓缓缓瑷缀缓嬲缓缀戮缀戮翳聪嬲缀翳霸骝兹臻缀翳嬲霸翳弱翰戮 | r 习 f 妻 争 麓缀缓戮缓弱如m 。磁籀缓瑷笏缀瑷拓。“。缵缓戮缓缀缓戮么 图2 1 电源柜结构示意图 l 一电源变压器；触流器组装；卜阻容板组装；僦波电抗器； 5 机车电子柜；6 对外联接插座；7 - - 电控插件箱； 蝴扇：埘关板组装；1 啡线端子 2 2 辅助控制电源 车载开关电源就位于控制电源柜的插件箱里面，它分a 、b 两组，由a 、b 转换开关控制，有1 5 v 2 4 v 4 8 v 输出板，其主要功能如下【2 3 】： ( 1 ) 向1 1 0 v 直流电源主电路的晶闸管提供触发脉冲，并使1 1 0 v 输出电 路保持稳定。 ( 2 ) 提供2 4 v 车内仪表照明用电、4 8 v 三项设备电源及司机台信号显示 屏所用的1 5 v 电源。 本文我们是研究b u c k 型变换器( 11 0 v 降压到4 8 v ) ，下面重点介绍l1 0 v 直流斩波产生4 8 v 电压。它主要是供给三项设备，因采用先进的开关电源技术， 开关频率高达5 0 k h z ，故本电源具有重量轻、体积小、效率高的特点。 l o 1 、基本原理 1 1 0 v 4 8 v 开关电源方框图如图2 2 所示，从图我们可以看出它的基本工作 原理，该系统由主电路和控制电路组成。在主电路部分，首先是上一级开关电 源产生的li o v 直流输入电压送至l c 滤波器，进一步消去直流电压的纹波，获 得一个更平稳的直流电压，该直流电压经开关管斩波并经过输出滤波后，得到 4 8 v 的直流输出电压。在控制电路部分，4 8 v 输出一路经反馈调节电路，送至 控制脉宽调制驱动电路中，从而控制开关管的驱动脉冲，实现4 8 v 输出电压的 稳定，另一路经4 8 v 过电压检测电路进行判别，如果发生过压，则马上执行过 压保护，使4 8 v 开关电源输出为零。同时该控制系统还能进行过流保护，它是 由开关管电流检测电路来实现，如果发生过流，则马上执行过流保护，限制开 主要有b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 这四种。带变压隔离器的变换器的拓扑 结构是从基本变换器的拓扑结构演变而来的，按工作方式可分为：单端反激、 单端正激、推挽式、半桥式和全桥式。 基本的变换器有线路简单的突出优点，被广泛应用于输出为低、中级功率的 变换器，而辅助控制电源的输出功率只有1 0 0 v a ，是将直流1 1 0 v 将为直流4 8 v 。 因此，本文选择基本的b u c k 变换器为研究对象，对它进行建模和仿真分析。 下面将详细介绍b u c k 降压式p w md c d c 变换器的工作原理【2 6 】【2 7 1 ，其中包 括电路组成、主要关系式等。 1 、b u c k 变换器主电路 b u c k 降压式d c d c 变换器，是一种输出直流电压等于或小于输入直流电 压的单管非隔离式p w md c d c 变换器，其主电路如图2 3 所示。b u c k 降压式 d c - d c 变换器的主电路，由开关管s 、二极管d 、输出滤波电感l 和输出滤波 电容c 组成。开关管s 与负载r 侧电路串联，通过开关管s 的反复导通和关断 的p w m 控制，以斩波器的原理来调节输出电压的值；电感l 用于平滑电流，当 开关管s 关断时d 导通，提供一个续流通道，使电感电流不至于迅速中断，避 免使电感感应出高压而将开关管击穿。此续流通路也是电感能量释放到负载的通 路；滤波电容c 用于减小负载电压的脉动成分和减小输出阻抗。 ) 一d 一 c 牛 图2 3b u c k 变换器主电路 2 、b u c k 变换器工作原理 为了分析方便，特作如下假定： ( 1 ) 所用的电力电子器件都是理想器件，即开关管s 和二极管d 的开通和 关断时间均为零，而且导通时的通态电压为零，关断时的断态漏电流为零。 ( 2 ) 在一个开关周期t 中，输入电压保持不变；输出滤波电容c 上的电压， 即变换器的输出电压有很小的纹波，可以认为输出电压基本保持不变。 ( 3 ) 滤波电感l 和电容c 为无损的理想储能元件，即电感工作在线性未饱 和区，寄生电压为零，电容的等效串联电阻为零。 ( 4 ) 线路阻抗为零。 如图2 - 4 所示的b u c kd c d c 变换器电路，在电感电流连续的方式下，电路 分开关s 导通和关断两个阶段【2 8 】。如图2 6 ( a ) 、( b ) 所示分别为开关管s 导 1 2 通和关断的等效电路。 ( a ) 开关管导通( b ) 开关管关断 图2 - 4 开关s 导通和关断的等效电路 假设开关管s 的开关周期互，乙为导搏时间，为关断时间，则 乃= 乙+ 。如果设占空比为见，则见= 乏。 ( 1 ) 开关模式i ( 见图2 4 ( a ) ) 在t = o 瞬间，开关管s 导通，电源电压通过开关管s 加到二极管d 和输出 滤波电感l 、输出滤波电容c 上，故二极管s 关断。由于输出滤波电容上的电压 圪保持不变，因此加在电感l 上的电压为k - v o 。由于杉 圪，故输出滤波电感