开关电源的核心是开关变换器,开关变换器的建模分析是研究开关变换器拓扑结构和控制方法的基础。当前研究热点之一是DC-DC开关变换器的建模。本文以传输线建模方法为基础,对开关变换器进行仿真、实验研究。
状态空间平均法和等效电路平均法是目前分析变换器电路的主流分析方法,这两种方法使用简单,适合于进行变换器的稳态分析,但由于都采用了“平均”的处理方式,这两种方法都不适合进行变换器的瞬态分析。而变换器的TLM分析方法正好填补了这个空白,它不仅适合于变换器进行暂态、瞬态分析,而且也适合于进行稳态分析。
本论文简要阐述了传输线理论,并利用传输线理论对动态元件进行建模,介绍了包括电容、电感、互感器、开关元件等的传输线模型。从数值分析角度证明了传输线模型的数值稳定性和收敛性,并结合实例与经典的4阶Runge-Kutta法和3阶Gear法进行了分析、比较。对变步长算法和固定步长算法进行了比较,证明了变步长算法相对于固定步长算法具有较高的效率和精度。建立了Boost变换器的传输线模型,对理论仿真结果与实验结果进行比较,验证了传输线模型分析DC-DC变换器的有效性。
最后,文章介绍了DC-DC开关变换器控制系统的设计,对基于传输线模型的Boost变换器进行了PID控制器设计和仿真。相对于其它建模方法,传输线模型既能够更好的分析开关变换器的瞬态特性,也适合于进行稳态分析,而且方便利用各种经典的控制算法,具有无条件的数值稳定性。在文章结尾,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。
