一种基于高变比耦合电感DC-DC的建模方法

一种基于高变比耦合电感dc-dc的建模方法
技术领域
1.本发明属于开关电源直流升压变换器技术领域，涉及一种基于高变比耦合电感dc-dc的建模方法。


背景技术：

2.由于通常的化石燃料对于环境的影响，可以重复利用再生能源被提上发展日程，不论是光伏系统还是风能系统，其输出直流电压都比较低，需要较高变比的dc-dc系统才能满足后级的需要。其中实现高变比的升压变换器有许多类型，其中传统的boost变换器虽然存在结构简单、效率高等优点，但是在实际应用中需要用到高增益变换器时，传统boost变换器只能通过极端占空比实现高增益，此时就会带出许多其他的问题，比如占空比越大效率越低。并且传统boost直流变换器属于非线性系统、表现出非最小相位现象，系统中的状态变量相互影响，为了保持稳定的输出在应对输入干扰时控制电路的设计变得异常困难。因此为了满足日益增长的变换器高增益的需求，在传统升压变换器的基础上衍生出了许多不同的升压技术。其中互感耦合高变比电路由于元件数目少，变比高，可以通过线圈绕组来调节变比，加上有源或者无源吸收电路后，开关管应力小，漏感可以用来提供软开管，效率高而受到研究者重视。
3.对于互感耦合高变比电路研究较为广泛，但是由于引入漏感分析带来的复杂性，所以在稳态分析时要么忽略漏感，要么考虑一边漏感，如考虑原边漏感或者副边漏感，而忽略理想变压器上的电流，从而得到近似的控制到输出的变比表达式；有些电路分析虽然考虑了原边及副边的漏感及理想变压器上的电流，但是只得出了隐式方程，只能数字求解。对于互感耦合高变比电路的动态分析，同稳态分析一样，为了不至于复杂到无法分析，通常是假定全耦合，在无漏感的情况下进行分析；较多电路虽然考虑了漏感，然而简化的工作状态使人看不见漏感的影响，而漏感在高变比电路中确实会使变比降低；继而有些电路考虑了电路的所有工作状态，得到一个非常精确的模型，但是却难以写出传输函数的表达式，只能用于数字分析，用电阻来代替漏感的影响，利用直流变比估算出电阻，但是，在该变比在漏感比较小时与实际情况相差比较大。由于这样采用考虑高变比耦合电感电路初级有漏感的模型来进行建模分析，这样既能得到漏感的影响和分析表达式，也不至于太简化，以至于看不见漏感的影响。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于高变比耦合电感dc-dc的建模方法。本发明的技术方案如下：
5.一种基于高变比耦合电感dc-dc的建模方法，其包括以下步骤：
6.获取耦合电感双升压变换器的四个状态，四个状态分别为：图1(b)为状态1开关s闭合，二极管d1反向偏置，二极管d2正向偏置,电感电流减小，电感电流增大，直到减小为0；图1(c)为状态2此时开关s仍然是闭合的，但是二极管d1和二极管d2都是反向偏置的，输入
电压对励磁电感充电，电容c2对负载ro放电；图1(d)为状态3开关s这时已经断开，二极管d1和二极管d2都是正向偏置，电感电流减小，电感电流增大，直到减小为0；图1(e)为状态4开关仍然是断开的，但是，此时二极管d1反偏，二极管d2正向偏置，此时电感ls存储的能量一部分给c2充电，一部分给负载ro充电，放电形成一个闭环回路，选取其中状态2、状态3和状态4进行分析；
7.对耦合电感双升压变换器电路进行稳态分析及小信号分析；
8.采用耦合电感升压直流变换器的拓扑结构消除boost拓扑结构因右半平面零点产生的负调现象的影响；
9.在互感耦合高变比电路的动态分析中，采用考虑高变比耦合电感电路初级有漏感的模型来进行建模，得到了直流变比和小信号传输函数的解析式。
10.进一步的，所述获取耦合电感双升压变换器的四个状态，选取其中状态2、状态3和状态4进行分析，具体包括：
11.对高变比耦合电感直流变换器进行稳态分析，假定状态1的时间很短，进行电路稳态分析时只考虑状态2、状态3和状态4，分析得出漏电感的电流有一段时间为零，因此小纹波近似对于漏电感的分析不适用，假定励磁电感纹波很小，对包含漏电感电流的表达式的状态方程求平均值得到平均模型如下：
[0012][0013]
ts、τ(1)分别表示电路开关周期以及时间常数
[0014]
对于三个期间的电容电流，电感电压求平均值，得，
[0015][0016][0017][0018][0019]
表示对电压求导、c1表示初级电容、c2表示输出电容、i
lk
表示漏感电流、i
lm
表示励磁电感电流、n表示等效变压器匝数比、d表示占空比、v0表示输出电压、r0表示输出电阻。lk表示漏电感、k表示电感系数、vi表示输入电压、v
c1
表示初级电容电压。
[0020]
其中令式(2)(3)右端为零，得到稳态值：
[0021][0022][0023]
当k＝1时：可以得到高变比耦合电感升压变换器电路中稳态分析下，输入到输出的直流变比表达式(8)。
[0024][0025]
进一步的，在建立耦合电感双升压变换器的大信号模型之后；将电路损耗引入到
建立的平均电路中，得到的小信号分析下控制到输出的传输函数表达式：
[0026]
简化表达式将代入小信号模型；lm为励磁电感，lk为漏电感由此可以得到传输函数
[0027][0028]
其中：
[0029]
a0＝(k-1)ro(n 1)(1-d)2[2nk (d n-dn)(k-1)]vi[0030]
a1＝2(1-d)2i
lmro
lk(n 1)n
[0031]
a2＝nk(k-1)lkr0c1(n 1)(2n-2nd d)
[0032][0033][0034]
b3＝l
k2
c1kn2(n 1)
[0035]
b2＝c1[k d2(n 1)(1-k) (1-2d)(1 n-kn)] c2{1 (1 n)[d2(1-k) k(1 2n-2nd)-2d]}
[0036]
b1＝lk(n 1)[d2(1-k) (1-2d) k(n 2)-2dk]
[0037]
b0＝2r0(1-k)[1-3d d2(3-d)]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)。
[0038]
进一步的，还包括控制到输出具体的传输函数如下：
[0039][0040]
进一步的，还包括建立变压器模型的步骤，具体包括：变压器模型理想变压器、磁化电感、漏电感，加入绕组电阻以及寄生电容进行分析；变压器两个耦合电感之间的互感；假设流经初级绕组的电流其中有部分电流流过次级绕组；这样将产生：初级绕组导体中的磁链，产生内部自感；仅和初级绕组交链的磁链，产生外部自感；和次级绕组交链的磁链，产生互感；耦合系数是两组线圈之间磁耦合程度的度量，范围为0≤k≤1；当k＝1时，为理想情况，磁通不和另外一个绕组相交链，所以当耦合系数k＜1时；漏磁通存储能量，其特性与电感相似，该效应可以用与绕组串联的漏电感来构建模型；当磁化电感趋近于无穷大时，变压器可以看作理想变压器。
[0041]
进一步的，还包括采用状态空间平均法对变换器建模的步骤：计算电路的小信号模型并求解出电路输出电压关于占空比的传递函数公式(15)；根据理论分析,设计了变换器的参数：d＝0.5,lk＝5μh，lm＝100μh,c1＝c2＝5μf,vi＝30v,ro＝400ω。其中d为占空比，lk为漏电感，lm为励磁电感，c1为初级电容，c2为输出电容，vi为输入电压，ro为负载电阻。
[0042]
本发明的优点及有益效果如下：
[0043]
1.本发明的创新主要是权利要求2和权利要求5的步骤的配合，能够实现电路更高增益的可靠性，其中权利要求5的步骤不容易想到，其优点包括可以更准确的等效出励磁电
感的影响，权利要求5对电路建立等效模型的巧妙之处在于使用了理想变压器简化了对漏电感的分析。其中对电路初级漏感以及主要的状态2、状态3和状态4进行的建模分析方法可以更灵活的实现高电压增益，更加明确电路各个元器件之间的相互作用，通过对非隔离耦合电感升压电路的建模分析，可以增加电路实现高增益的可靠性。
[0044]
2.本发明的创新主要是权利要求1和权利要求3步骤的配合，建模方法实现精确分析却没有冗余部分，其中权利要求1根据分析结果判断右半平面零点是否存在不容易想到，其优点包括可以更加准确的判断系统稳定性，判断相位偏移情况，决定下一部分电路补偿器的设计参数，权利要求3的巧妙之处在于得到状态2、状态3和状态4的具体的小信号传输函数。
[0045]
3.本发明的创新主要是权利要求4和权利要求6的配合，使用软件matlab仿真电路小信号传输函数模型，其中权利要求6使用了状态空间平均方法对变换器电路进行了建模，其优点包括能在波动的电路中得到平均值，便于电路的分析。其中分析电路状态2、状态3和状态4下耦合电感漏电感的影响，可以在建立一个比较精确的模型之后，通过matlab软件根据模型得到控制到输出的传输函数。相比于建立了精确模型只能得出了隐式方程进行数字求解的分析方法。考虑状态2、状态3和状态4的高变比耦合电感dc-dc建模的研究方法可以写出具体准确的控制到输出的传输函数的表达式。
附图说明
[0046]
图1是本发明提供优选实施例本发明高变比耦合电感dc-dc建模分析电路拓扑结构图；
[0047]
图2是初级漏感较小时的输入输出直流变比图；
[0048]
图3是初级漏感较大时的输入输出直流变比图；
[0049]
图4是初级漏感较小时交流小信号分析控制到输出的传输函数波特图。
[0050]
图5是初级漏感较大时交流小信号分析控制到输出的传输函数波特图。
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
[0052]
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
[0053]
一种基于高变比耦合电感dc-dc建模的研究方法，其包括以下步骤：
[0054]
该方法分析了耦合电感双升压变换器的四个状态，选取其中三个状态进行分析，该方法对电路进行具体的稳态分析或者小信号分析，概述耦合电感升压变换器电路在进行电路分析时应用的假设，采用耦合电感升压直流变换器的拓扑结构消除boost拓扑结构因右半平面零点产生的负调现象的影响；得到了直流变比和小信号传输函数的解析式，简化控制部分设计。
[0055]
优选的，所述互感耦合双升压变换器的直流变比和小信号传输函数的分析，具体包括以下步骤：
[0056]
步骤一：对高变比耦合电感直流变换器进行稳态分析，假定状态1的时间很短，我们进行电路稳态分析时只考虑状态2、状态3和状态4。分析得出漏电感的电流有一段时间为
零，因此小纹波近似对于漏电感的分析不适用，假定励磁电感纹波很小，对包含漏电感电流的表达式的状态方程求平均值得到平均模型如下：
[0057][0058]
对于三个期间的电容电流，电感电压求平均值，得，
[0059][0060][0061][0062][0063]
其中令式(2)(3)右端为零，得到稳态值：
[0064][0065][0066]
当k＝1时：可以得到高变比耦合电感升压变换器电路中稳态分析下，输入到输出的直流变比表达式(8)。
[0067][0068]
步骤二：对高变比耦合电感直流变换器进行小信号分析，同时考虑分析的复杂性与准确性，选择在能够得到具体传输函数的情况下更加准确的对电路进行分析，同时分析变换器的四个状态，这样会导致分析过于复杂难以得到直观的传输函数表达式，在三个状态的情况下考虑电路初级漏电感的影响，通过理想变压器与励磁电感以及漏电感得到了耦合电感双升压变换器的等效电路；在对漏电感进行分析时对漏电感电流的状态方程求平均值得到平均模型，从而避免了因为漏电感电流一段时间为零小纹波近似分析的不准确，与此同时能够得到控制到输出具体的传输函数如下：
[0069][0070]
一种基于高变比耦合电感dc-dc建模的研究方法，其包括以下步骤：
[0071]
在对电路进行建模之前先分析元器件在电路拓扑结构中作用，在应用了磁耦合升压技术时，输出电压在开关闭合时提供能量。在电路拓扑结构中将耦合电感作为升压电感。在能量传输的正向路径中，耦合电感不光被充电，还向负载提供了能量。正向路径中耦合电感向负载提供的能量提高了电压增益。使直流变换器电路在大电压、高频率转换比的应用中不用为了得到更高的输出电压，用较大的占空比。耦合电感消除右半平面零点的方法，不会使直流变换器的电路拓扑结构变复杂。在调节输出电压的数值时，也可以采用比较传统的电压控制方法，对直流变换器的状态空间平均模型进行分析。
[0072]
进一步的，找到一条合适的推演方法,有目的的去设计变换器的性能：电感、电容、二极管和耦合电感是形成高增益变换器不可或缺的基本元素，通过单独分析每个基本的电力电子元器件在升压变换器中的本质作用，从而合理有效的利用这些元器件。对现有的升压技术的总结和归纳，根据现有的高增益拓扑，综合各种升压技术，提出一些新的高增益直流变换器；结合各个器件在高增益直流变换器电路中的作用，根据想要实现的性能，提出来一类新型带有耦合电感的高增益直流变换器。
[0073]
进一步的，建立变压器模型：包括理想变压器、磁化电感、漏电感等组成；视情况加入绕组电阻以及寄生电容进行分析。变压器两个耦合电感之间的互感。假设流经初级绕组的电流其中有部分电流流过次级绕组。这样将产生：初级绕组导体中的磁链，产生内部自感；仅和初级绕组交链的磁链，产生外部自感；和次级绕组交链的磁链，产生互感。耦合系数是两组线圈之间磁耦合程度的度量，范围为0≤k≤1。当k＝1时，为理想情况。磁通不和另外一个绕组相交链，所以当耦合系数k＜1时。漏磁通存储能量，其特性与电感相似，该效应可以用与绕组串联的漏电感来构建模型。当磁化电感趋近于无穷大时，变压器可以看作理想变压器。
[0074]
进一步的，对新型耦合电感高增益直流变换器进行稳态分析。分析计算得出变换器在稳态下的器件应力关系，并分析了变换器工作在临界导电状态的条件，分析了寄身参数下变换器的性能的变化，总结对变换器电压增益和效率影响较大的参数，为后续的控制-仿真和实验提供理论依据。
[0075]
进一步的，用状态空间平均法对变换器建模。通过数学软件分析计算电路的小信号模型并求解出电路输出电压关于占空比的传递函数；根据理论分析,设计了变换器的参数，并对实验中所用到的其它辅助电路进行了设计。开环实验结果验证了稳态理论分析的正确性，闭环实验结果验证了高增益直流变换器控制的有效性。
[0076]
1.结合图例2和图例3说明，为了进一步说明本发明方法在一定程度上型准确性能有着较为显著的提高，下面先对高变比耦合电感dc-dc进行了稳态分析，然后假定不同的漏电感值进行仿真实验。
[0077]
a.假定第一个区间的时间很短，在进行电路稳态分析时只考虑三个电路状态。分
析得出漏电感的电流有一段时间为零，因此小纹波近似对于漏电感的分析不适用，本文假定励磁电感纹波很小，对包含漏电感电流的表达式的状态方程求平均值得到平均模型如下：
[0078][0079][0080][0081][0082]
令上式微分为零，得到稳态时：
[0083][0084]
b.根据列写的方程，得出不同漏电感值时对应的输出电压值。在实验中得到漏电感为0.5uh和10uh时直流变比对比图。与本发明方法对比的是对电路四个状态进行分析以及将漏电感等效为电阻影响的方法。可以根据图例2和图例3看出，圆圈表示的本发明方法建模在小漏感情况下更加准确。
[0085]
2.结合图例4和图例5说明，为了进一步说明本发明方法在小信号分析时具备更加准确的优越性。
[0086]
a.在建立耦合电感双升压变换器的大信号模型之后；将电路损耗引入到建立的平均电路中，仿真和实验测量验证了其大信号模型在研究变换器的电压转换比、瞬态响应以及频域响应的准确性。整理通过matlab得到的小信号分析下控制到输出的传输函数表达式：
[0087]
简化表达式将代入小信号模型；由此可以得到传输函数
[0088][0089]
其中：
[0090]
a0＝(k-1)ro(n 1)(1-d)2[2nk (d n-dn)(k-1)]vi[0091]
a1＝2(1-d)2i
lmro
lk(n 1)n
[0092]
a2＝nk(k-1)lkr0c1(n 1)(2n-2nd d)
[0093][0094][0095]
b3＝l
k2
c1kn2(n 1)
[0096]
b2＝c1[k d2(n 1)(1-k) (1-2d)(1 n-kn)] c2{1 (1 n)[d2(1-k) k(1 2n-2nd)-2d]}
[0097]
b1＝lk(n 1)[d2(1-k) (1-2d) k(n 2)-2dk]
[0098]
b0＝2r0(1-k)[1-3d d2(3-d)]
[0099]
(15)
[0100]
b.现在将本发明方法分析得到的小信号模型通过matlab仿真软件与分析四个电
路状态的小信号模型与将泄漏电感损耗的能量用变阻来建模的小信号模型进行对比。根据图例4和图例5圆圈表示的本发明方法可以看出本发明方法的准确性更佳。
[0101]
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
[0102]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0103]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0104]
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。