Sepic电路的DCM动态建模方法、设备及存储介质与流程

sepic电路的dcm动态建模方法、设备及存储介质
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及电流断续模式下的高阶dc-dc变换器的建模方法。


背景技术：

2.无论是传统的化石能源还是最近几年火热发展的光伏、燃料电池这样的清洁能源，很多能源直流输出的电压都比较低，不能直接投入电网，需要通过开关变换器进行升压，所以近年来，对开关变换器的研究一直是一个热潮，其中一个热点就是对dc-dc变换器的建模以及对其控制方法的研究。
3.电流断续模式(dcm)下的开关变换器广泛应用于轻载模式下，因此研究dcm模式下的变换器建模是必要的。有学者提出用tis-sfg方法对dcm模式下的开关变换器进行建模，但这个方法只适用于低阶变换器，而对高阶变换器，比如sepic，cuk则无法适用。


技术实现要素：

4.针对tis-sfg建模法只能用于低阶变换器的局限性，本发明所要解决的技术问题就是提供一种sepic电路的dcm动态建模方法，可以使用tis-sfg建模法，以减少对高阶变换器建模时的计算量。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.sepic电路的dcm动态建模方法，包括如下步骤：
7.s1：将sepic电路等效为低阶电路；
8.s2：采用tis-sfg建模法对步骤s1得到的低阶电路进行建模，得到sepic电路在dcm工况下的稳态模型，对稳态模型进行处理得到dcm工况下的sepic电路的各个稳态值；
9.s3：根据sepic电路在dcm工况下的小信号模型，在步骤s2得到的各个稳态值的基础上，得到sepic电路在dcm工况下的传递函数表达式。
10.优选的，所述的步骤s1包括如下步骤：
11.11)将sepic电路中的电容替换成极性相同，大小为电容电压的电压源，将负载替换成极性相同，大小为输出电压的电压源；
12.12)将电压源转移到电感支路与负载支路；
13.13)将两个电感支路合并成一条电感支路，合并后的电感支路各参数的值为：
[0014][0015][0016]
ie＝i
l1
i
l2
[0017]
式中：l1与l2为sepic电路两个电感的电感值，vg为电源电压，vc为电容电压，i
l1
与i
l2
为流经两个电感的电流值，le为等效后的电感支路的电感值，ve为等效后的电感支路上
的电压源的值，ie为等效后的电感支路上的电流值。
[0018]
优选的，所述步骤s2中对稳态模型进行化简，得到sepic电路在dcm工况下的各个稳态值：
[0019][0020][0021]vc
＝vg[0022][0023]
式中：l1与l2为sepic电路两个电感的电感值，vg为电源电压，vc为电容电压，v
out
为输出电压，r为负载电阻，fs为开关管的开关频率，d为有源开关占空比稳态变量，d
off
为无源开关占空比稳态变量，i
lmpk
为流过等效电感le的最大电流。
[0024]
优选的，sepic电路在dcm工况下的传递函数表达式为：
[0025][0026]
式中：
[0027]
a3＝c1i
lmpkvout
l1l2(l1 l2)
[0028]
a2＝2c
1vgvout
(l1 l2)2[0029]
a1＝i
lmpk
l1((dl1 l2)v
out-dl
2vg
)
[0030]
a0＝2v
gvout
(l1 l2)
[0031]
b4＝2c1c2i
lmpk
l1l
22
rv
outfs
(l1 l2)
[0032]
b3＝l
2vout
(l1 l2)(l1(2c1f
silmpk
l2 rc2(-4c
1voutfs
d2i
lmpk
))-4c1c2l2rv
outfs
)
[0033]
b2＝2(-2c
1vout2
vgi
lmpk
rd(c1 c2))fsl
23
[0034]
(-8c1fsl
1vout2
(i
lmpk
(-2c2drfs 2fsc2r d2)l1 2d2rc
2vg
)v
out
[0035]
4di
lmpk
rc1l
1vgfs
)l
22
[0036]
l1((-2c2d2r-4c1l1fs)v
out2
d2(2c2rvg i
lmpk
l1)v
out
[0037]
2di
lmpk
rc1l
1vgfs
)l
2-2c2d2l
12
rv
out2
[0038]
b1＝2di
lmpk
l
23vgfs
2v
out
(-2v
out
rc2f
s-i
lmpkfs
(d-1)l1 d
2vg
)l
22
((-4c2rfs[0039]-2d2)v
out2
2d
2vgvout
d
3vgilmpk
r)l1l2 d2l
12
(di
lmpk
rv
g-2v
out2
)
[0040]
b0＝2di
lmpk
l1l2rv
gfs
2di
lmpk
l
22
rv
gfs-4l1l
2vout2fs-4l
22vout2fs
。
[0041]
本发明通过拓扑推演，将高阶变换器转换为低阶电路，从而可以使用tis-sfg方法对其进行建模，该方法能减少建模时的计算量，对其控制方法的研究与控制器的设计有重要意义。
[0042]
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
[0043]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
[0044]
图1a为原始的sepic电路示意图；
[0045]
图1b为等效后的sepic电路示意图；
[0046]
图1c为电压源转移之后的sepic电路示意图；
[0047]
图1d为合并电感支路的sepic电路示意图；
[0048]
图2为sepic电路dcm工况下稳态模型示意图；
[0049]
图3为sepic电路dcm工况下小信号模型示意图；
[0050]
图4为dcm模式下sepic电路控制到输出电压传递函数频域响应理论分析与psim仿真结果对比示意图。
具体实施方式
[0051]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052]
实施例一
[0053]
本实施例提供一种通过拓扑推演，将高阶变换器转换为低阶电路的tis-sfg建模法。
[0054]
具体是sepic电路的dcm动态建模方法，包括如下步骤：
[0055]
s1：将sepic电路等效为低阶电路；
[0056]
s2：运用tis-sfg建模法，得到sepic电路在dcm工况下的稳态模型，得到dcm工况下的sepic电路的各个稳态值；
[0057]
s3：得到sepic电路在dcm工况下的小信号模型，在步骤二得到的各个稳态值的基础上，得到其传递函数表达式。
[0058]
其中，步骤s1包括如下步骤：
[0059]
11)将sepic电路中的电容替换成极性相同，大小为电容电压的电压源，将负载替换成极性相同，大小为输出电压的电压源；
[0060]
12)将电压源转移到电感支路与负载支路；
[0061]
13)将两个电感支路合并成一条电感支路，合并后的电感支路各参数的值为：
[0062][0063][0064]
ie＝i
l1
i
l2
[0065]
式中：l1与l2为sepic电路两个电感的电感值，vg为电源电压，vc为电容电压，i
l1
与i
l2
为流经两个电感的电流值，le为等效后的电感支路的电感值，ve为等效后的电感支路上的电压源的值，ie为等效后的电感支路上的电流值。
[0066]
经典sepic电路如图1a所示，从图中可以看出，电容c1两端的电压为vc，负载两端的电压为v
out
，所以根据替代定理，将电容替换成极性相同，大小为vc的电压源，将负载替换成极性相同，大小为v
out
的电压源，替换之后的等效电路如图1b所示。
[0067]
然后对电压为vc的电压源进行转移，转移到电感l2支路与负载支路，转移之后的电路如图1c所示。
[0068]
然后对该模块的电路图进行等效变换，将两个电感支路合并成一条电感支路，如图1d所示，合并以后的电路就可以直接使用tis模块进行建模，在图1d中已经用虚线框圈出tis模块，并根据tis模块的标号规则标出标号。
[0069]
所述步骤s2中对稳态模型进行化简，得到sepic电路在dcm工况下的各个稳态值：
[0070][0071][0072]vc
＝vg[0073][0074]
式中：l1与l2为sepic电路两个电感的电感值，vg为电源电压，vc为电容电压，v
out
为输出电压，r为负载电阻，fs为开关管的开关频率，d为有源开关占空比稳态变量，d
off
为无源开关占空比稳态变量，i
lmpk
为流过等效电感le的最大电流。
[0075]
具体的，根据图1d，可以推导出tis模块的外部线性网络为：
[0076][0077]
从而就可以画出图2中sepic电路dcm工况下稳态模型以及图3中sepic电路dcm工况下小信号模型。
[0078]
根据sepic电路在dcm工况下的小信号模型，在步骤s2得到的各个稳态值的基础上，得到sepic电路在dcm工况下的传递函数表达式：
[0079][0080]
式中：s为拉普拉斯变换中的复频域变量，a
0-a3与b
0-b4的表达式如下
[0081]
a3＝c1i
lmpkvout
l1l2(l1 l2)
[0082]
a2＝2c
1vgvout
(l1 l2)2[0083]
a1＝i
lmpk
l1((dl1 l2)v
out-dl
2vg
)
[0084]
a0＝2v
gvout
(l1 l2)
[0085]
b4＝2c1c2i
lmpk
l1l
22
rv
outfs
(l1 l2)
[0086]
b3＝l
2vout
(l1 l2)(l1(2c1f
silmpk
l2 rc2(-4c
1voutfs
d2i
lmpk
))-4c1c2l2rv
outfs
)
[0087]
b2＝2(-2c
1vout2
vgi
lmpk
rd(c1 c2))fsl
23
[0088]
(-8c1fsl
1vout2
(i
lmpk
(-2c2drfs 2fsc2r d2)l1 2d2rc
2vg
)v
out
[0089]
4di
lmpk
rc1l
1vgfs
)l
22
[0090]
l1((-2c2d2r-4c1l1fs)v
out2
d2(2c2rvg i
lmpk
l1)v
out
[0091]
2di
lmpk
rc1l
1vgfs
)l
2-2c2d2l
12
rv
out2
[0092]
b1＝2di
lmpk
l
23vgfs
2v
out
(-2v
out
rc2f
s-i
lmpkfs
(d-1)l1 d
2vg
)l
22
((-4c2rfs[0093]-2d2)v
out2
2d
2vgvout
d
3vgilmpk
r)l1l2 d2l
12
(di
lmpk
rv
g-2v
out2
)
[0094]
b0＝2di
lmpk
l1l2rv
gfs
2di
lmpk
l
22
rv
gfs-4l1l
2vout2fs-4l
22vout2fs
[0095]
具体的，本实施例选取sepic电路的参数为
[0096]
d＝0.31，fs＝28.2khz，r＝212ohm，vg＝10v，l1＝120uh，l2＝120uh，c1＝47uf，c2＝47uf
[0097]
得到sedic电路在dcm工况下的稳态值为：
[0098]vout
＝24.54v
[0099]ilmpk
＝-1.832a
[0100]doff
＝0.126
[0101]vc
＝10v
[0102]
sepic电路在dcm工况下的传递函数为：
[0103][0104]
将该传递函数的bode图与psim仿真得到的bode图进行对比，对比图如图4所示，由于高频附近的增益和相位的快速变化，psim在获取变换器响应时有些困难，只仿真了1/2开关频率的频域特性，可以看出在低频段，小信号模型有较高的精确度，在高频段，小信号模型有一定的误差。
[0105]
实施例二
[0106]
一种计算机设备，包括至少一个处理器和存储器；所述存储器存储计算机执行指令；所述至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，使得所述至少一个处理器执行如实施例一所述的sepic电路的dcm动态建模方法。
[0107]
实施例三
[0108]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行所述计算机执行指令时，实现如实施例一所述的se
p
ic电路的dcm动态建模方法。
[0109]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。