《開(kāi)關(guān)電源仿真設(shè)計(jì)》PPT課件.ppt

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第7章開(kāi)關(guān)電源仿真設(shè)計(jì),開(kāi)關(guān)電源的計(jì)算機(jī)仿真需要解決兩個(gè)基本問(wèn)題：1、如何建立電路方程（仿真模型）；2、如何求解電路方程。開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的仿真步驟：1、建立系統(tǒng)的仿真模型，從而獲得描述系統(tǒng)的方程式2、構(gòu)造求解系統(tǒng)方程的算法。當(dāng)系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單或者系統(tǒng)的階數(shù)較低時(shí)，通常可以得到系統(tǒng)的解析解；但當(dāng)系統(tǒng)較復(fù)雜或系統(tǒng)的階數(shù)較高時(shí)，一般只有借助于計(jì)算機(jī)仿真方法，才能夠?qū)ο到y(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。,開(kāi)關(guān)電源電路的建模方法1、狀態(tài)變量法：以電路中的某些支路電壓和電流作為狀態(tài)變量，建立開(kāi)關(guān)電源電路的狀態(tài)方程。2、節(jié)點(diǎn)分析法：EMTP、ATP、PECAN等程序,3、改進(jìn)的節(jié)點(diǎn)分析法：求解方程時(shí)采用直接法，即將非線性代數(shù)微分方程轉(zhuǎn)換為一組非線性差分方程，應(yīng)用牛頓拉夫遜法迭代求解方程組，利用稀疏LU分解技術(shù)連續(xù)求解線性代數(shù)方程組。4、狀態(tài)空間平均法：利用一周期內(nèi)平均狀態(tài)變量，將一個(gè)非線性、時(shí)變、開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)等效的非線性、時(shí)不變的連續(xù)電路，因而可對(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器作大信號(hào)瞬態(tài)分析，并可決定其小信號(hào)傳遞函數(shù)及零、極點(diǎn)配置，建立一個(gè)狀態(tài)空間平均電路模型。,SPICE和IsSPICE仿真程序SPICE是一種通用集成電路計(jì)算機(jī)分析程序，可用其對(duì)電路進(jìn)行非線性直流分析、非線性瞬態(tài)時(shí)域分析和交流小信號(hào)時(shí)域和頻域分析等。SPICE應(yīng)用了一組電路模型方程，基本分析工具是牛頓拉夫遜迭代法。SPICE、IsSpice的仿真結(jié)果以數(shù)據(jù)文件形式表示，可以將它輸入其他軟件如MATLAB等，以便進(jìn)一步對(duì)電路性能進(jìn)行評(píng)估和尋優(yōu)。,MATLAB語(yǔ)言在開(kāi)關(guān)電源仿真中的應(yīng)用1、理想開(kāi)關(guān)電源仿真模型：理想開(kāi)關(guān)電源由一個(gè)電阻(Rm)、一個(gè)電感(Lm)和一個(gè)受邏輯信號(hào)G控制的開(kāi)關(guān)串聯(lián)構(gòu)成。,理想開(kāi)關(guān)電源完全由門極信號(hào)(G0或G0)控制。當(dāng)G=0，阻斷正反向電壓及電流為零。當(dāng)G0，電壓為零，電流可雙向流動(dòng)。當(dāng)觸發(fā)時(shí)，開(kāi)關(guān)在開(kāi)與關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換瞬間完成。理想開(kāi)關(guān)模塊還包括一個(gè)與之并聯(lián)的Rs-Cs串聯(lián)的緩沖電路?？梢灾付ň彌_電路的Rs和Cs當(dāng)指定Cs=0時(shí)，緩沖電路為純電阻當(dāng)指定Rs0時(shí)，緩沖電路為純電容。當(dāng)指定RsInf或Cs=0時(shí)，在理想開(kāi)關(guān)的圖標(biāo)上將不顯示緩沖電路,(a)帶緩沖電路的圖標(biāo)(b)不帶緩沖電路的圖標(biāo),理想開(kāi)關(guān)模擬示意圖,2、晶閘管的仿真模型：晶閘管模型由一個(gè)電阻(Ron)、一個(gè)電感(Lon)、一個(gè)直流電壓源(Vf)和一個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)而成。開(kāi)關(guān)由一個(gè)邏輯信號(hào)控制，該邏輯信號(hào)由電壓VAK、電流IAK和門極觸發(fā)信號(hào)G決定。,晶閘管模塊包括一個(gè)Rs-Cs緩沖電路，它通常與晶閘管并聯(lián)。可以指定緩沖電路的Rs和Cs指定Cs=Inf時(shí)，緩沖電路為純電阻電路當(dāng)Rs=0時(shí)，緩沖電路為純電容電路。當(dāng)指定Rs=Inf或Cs=0時(shí)，在晶閘管的圖標(biāo)上將不顯示緩沖電路,帶緩沖電路的圖標(biāo)不帶緩沖電路的圖標(biāo),晶閘管的伏安特性,當(dāng)陽(yáng)極和陰極之間電壓大于轉(zhuǎn)折電壓Vf且門極觸發(fā)脈沖為正向(G0)時(shí)，晶閘管導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖的幅值必須大于零且有一定的持續(xù)時(shí)間，以保證晶閘管陽(yáng)極電流大于掣住電流。當(dāng)流過(guò)晶閘管的電流下降到零(IAK=0)，且陽(yáng)極和陰極之間施加反向電壓的時(shí)間為晶閘管的關(guān)斷時(shí)間Tq時(shí)，晶閘管關(guān)斷。如果陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓在小于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間Tq內(nèi)變正，即使沒(méi)有門極觸發(fā)信號(hào)(G=0)，陽(yáng)極電流小于掣住電流，晶閘管也將自動(dòng)導(dǎo)通。,晶閘管的模擬示意圖,為了避免代數(shù)環(huán)(（AlgebraicLoop），晶閘管模型中的Lon不能為零。每增加一只晶閘管，就增加一個(gè)電路的狀態(tài)變量。因?yàn)榫чl管用電流源來(lái)模擬，所以它不能和電感、電流源以及開(kāi)路電路串聯(lián)，除非使用了緩沖電路。,MATLAB在開(kāi)關(guān)電源仿真中的應(yīng)用（1）運(yùn)用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能求解開(kāi)關(guān)電源變換器方程式。（2）運(yùn)用MATLAB頻域分析的工具研究電源變換器系統(tǒng)的控制性能。（3）運(yùn)用MATLAB的SIMULINK、ToolBox工具仿真電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。,開(kāi)環(huán)降壓式變換SIMULINK仿真,降壓式變換器的電路原理圖,IsSPICE的組成及功能特點(diǎn)1、電路圖輸入軟件SPICENet2、IsSPICE仿真軟件的模型庫(kù)3、數(shù)模混合開(kāi)關(guān)電源電路仿真軟件IsSPICE44、IsSPICE仿真軟件的波形處理與分析軟件IntuScope5、IsSPICE仿真軟件的符號(hào)編輯器SymbolEditor6、IsSPlCE仿真軟件的文字編輯軟件IsEd,開(kāi)關(guān)電源的最優(yōu)設(shè)計(jì)1、可行性設(shè)計(jì)：根據(jù)開(kāi)關(guān)電路的基本原理，推導(dǎo)出開(kāi)關(guān)電源的一些計(jì)算公式，并根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，反復(fù)修正，最后可以得到滿足給定性能指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)。2、最優(yōu)設(shè)計(jì)：融合數(shù)學(xué)方法與計(jì)算機(jī)輔助尋優(yōu)方法于一體的方法。最優(yōu)設(shè)計(jì)與可行設(shè)計(jì)關(guān)系是非常密切的，最優(yōu)的設(shè)計(jì)一定是可行的，反之則不同，可行的設(shè)計(jì)不一定是最優(yōu)的設(shè)計(jì)。,開(kāi)關(guān)電源的主要性能指標(biāo)1、輸出/輸入電壓比（VoVi）2、輸出功率Po3、變換器效率4、輸出電壓紋波Vo5、對(duì)輸入電壓源Vi的電磁干擾（EMI）幅度的限制,開(kāi)關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)的內(nèi)容電路拓?fù)湫问降倪x擇開(kāi)關(guān)晶體管、整流二極管的電流及電壓的選擇輸入輸出濾波器形式以及參數(shù)的確定計(jì)算磁性元件（電感、變壓器、電流互感器等）的磁心規(guī)格、尺寸和繞組匝數(shù)、導(dǎo)線規(guī)格，以及電容的選擇等。,在開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)最優(yōu)設(shè)計(jì)內(nèi)容選擇反饋控制方式：電壓反饋或電壓、電流反饋，分別稱為單環(huán)和雙環(huán)控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问剑罕壤e分微分或PID放大器，PID參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)等。,最優(yōu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容1、目標(biāo)：使某個(gè)技術(shù)指標(biāo)或經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為最優(yōu)2、變量：使得技術(shù)指標(biāo)或者經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的參數(shù)值。3、約束：求最優(yōu)參數(shù)時(shí)要滿足各項(xiàng)性能或結(jié)構(gòu)工藝要求，即為求目標(biāo)函數(shù)極值時(shí)所加的約束。目標(biāo)和約束是開(kāi)關(guān)電源最優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的線性或非線性函數(shù)，一般情況下，工程優(yōu)化問(wèn)題中是非線性問(wèn)題。因此，在數(shù)學(xué)上，開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題歸結(jié)為求解有線性或者非線性約束的非線性多變量（目標(biāo)）函數(shù)的極值問(wèn)題。,1、設(shè)計(jì)變量：開(kāi)關(guān)電源在優(yōu)化過(guò)程中，在尚未到達(dá)最優(yōu)值時(shí)，隨著迭代過(guò)程而不斷變化的待確定的一組參數(shù)2、目標(biāo)函數(shù)：選取一定的準(zhǔn)則函數(shù)來(lái)判斷一個(gè)設(shè)計(jì)方案是否達(dá)到最優(yōu)。例如要求開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓紋波最小，那么輸出電壓紋波的數(shù)學(xué)函數(shù)就是這個(gè)準(zhǔn)則函數(shù)。3、約束：在對(duì)開(kāi)關(guān)電源或者其子電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，用等式約束或不等式約束表示設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)滿足的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)或者性能指標(biāo)要求及其他結(jié)構(gòu)或工藝上的要求。,優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的一般表示形式開(kāi)關(guān)電源工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的含義可描述為選擇n個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)變量x*=(x1*，x2*，x3*，xn*)T使某個(gè)目標(biāo)函數(shù)值為極大或極小，并滿足各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)或其他設(shè)計(jì)要求。對(duì)于n維無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，一般情況下，可用下列數(shù)學(xué)模型描述minf(x)max-f(x)xEn有m個(gè)不等式約束和p個(gè)等式約束的n維優(yōu)化問(wèn)題可用下列數(shù)學(xué)模型描述：minf(x)xEns.t.gi(x)0i=l，2，3，mhij(x)0j=l，2，3，ppn,開(kāi)關(guān)電源工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是把數(shù)學(xué)規(guī)劃與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法融于一體的一種設(shè)計(jì)方法。（2）按變量取值為連續(xù)或離散，可將優(yōu)化問(wèn)題分為連續(xù)優(yōu)化問(wèn)題和離散優(yōu)化問(wèn)題。（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種數(shù)值計(jì)算方法。,開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用最優(yōu)化方法的幾個(gè)問(wèn)題1、最優(yōu)解的性質(zhì)2、初始點(diǎn)的選擇3、收斂判據(jù)4、變量尺度的統(tǒng)一5、約束值的尺度統(tǒng)一6、多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,