DC-DC开关变换器的建模分析与研究

DC-DC 开关变换器的建模分析是研究开关电源的基础,对开关电源的分析与设计具有重要意义。传统的理想模型和实际电路之间的偏差是开关变换器建模不可忽视的问题。围绕这个问题,本文对 DC-DC 开关变换器的建模分析进行了深入的研究,有助于开关电源的性能优化和设计效率的提高。 在对 DC-DC 开关变换器建模方法的现状及发展趋势进行深入分析的基础上,提出了一种非理想基本变换器在连续工作模式下的电路平均建模方法。以非理想 Buck 变换器和非理想 Boost 变换器为例,阐明了建模过程,进行了仿真研究和实验验证;建立了非理想 PWM 开关模型,在此基础上推导了 Buck-Boost 变换器在连续工作模式下的等效电路模型,进行了稳态和动态小信号特性分析。该建模方法考虑了变换器的寄生参数,模型直观、物理意义清晰、具有实用价值。 提出了非理想变换器在断续工作模式下的电路平均建模方法,该方法不仅考虑了变换器的寄生参数,而且考虑了电流的纹波。首次建立了非理想 Buck 变换器、非理想 Boost 变换器在断续工作模式下的大信号平均模型、DC 和小信号电路模型,进行了稳态分析,导出了传递函数。统一了非理想 Buck 变换器、非理想 Boost 变换器在连续工作模式和断续工作模式下的大信号平均模型,推导了断续工作模式和连续工作模式的边界。研究了 Buck 变换器和 Boost 变换器在断续工作模式下的小信号特性,讨论了不同的参数对小信号特性的影响,并与临界连续、连续工作模式下的小信号特性进行了比较。 提出并研究了考虑导通损耗、考虑变压器漏感、既考虑导通损耗又考虑变压器漏感的半桥变换器的电路平均法建模,导出了传递函数,分析了变换器的参数对其稳态特性、传递函数和小信号特性的影响,并进行了仿真研究。 首次运用状态空间平均法建立了考虑变压器漏感的半桥变换器的稳态和小信号解析模型,得到了与电路平均建模方法一致的结果。 研究了既考虑寄生参数又考虑电流纹波的开关变换器在连续工作模式下的电路平均法建模。首次建立了考虑寄生电阻和电流纹波的同步整流 Buck 变换器在连续工作模式下的大信号平均模型、DC 和小信号电路模型,研究了电压控制的闭环建模,导出了传递函数,剖析了变换器的寄生参数对其控制电路设计的影响,进行了小信号特性的仿真研究,进一步阐明了考虑变换器的寄生参数建模的必要性。