双向直流变换器建模

1双向直流变换器建模——状态空间平均法2一、直流-直流变换器的模型直流-直流变换器的模型按照其传输信号的种类可以分为稳态模型、小信号模型和大信号模型等，其中稳态模型主要用于求解变换器在稳态工作时的工作点；小信号模型用于分析低频交流小信号分量在变换器中的传递过程，是分析与设计变换器的有力数学工具，具有重要意义。3二、建立小信号模型的方法建模方法基本建模法状态空间平均法开关元件平均模型法开关网络平均模型法4三、状态空间平均法双向Buck-Boost变换器电路拓扑参见图1，有Buck方向和Boost方向两种工作模式。下面分别建立Buck方向和Boost方向的小信号模型，以及双向Buck-Boost变换器的小信号模型。图1双向Buck-BoostDC/DC变换器D2L+-+-i1iLV1V2D1Q1Q251.1列出状态方程Buck方向时电路结构如图2所示，忽略电感、电容的寄生电路，开关管、二极管均假定为理想器件。1、Buck方向小信号模型的建立Q1D2R2LC2+-+-i1iLV1V2图2Buck方向在连续状态下的等效电路61.1列出状态方程电感电流连续工作时，Buck电路的两种开关状态见图3和图4。状态变量取：x=[]输出变量取：y=[]Licu2V1i（1）0≤t≤dTs（时间段为dTs），状态空间方程：7122LcccLdiVLudtduuRiCdt12221111LccLcdiuVdtLLduiudtCRCR2LC2+-+-V1V2i1iL图30≤t≤dTs1.1列出状态方程81222101110LLcciiLVLuuCRC210110LciVui式中相应的系数矩阵记为：12221011LACRC110BL10110C1.1列出状态方程9D2R2LC2+-+-Q2V1V2图4dTs≤t≤Ts（2）dTs≤t≤Ts（时间段为d’Ts），等效电路。1.1列出状态方程10220LcccLdiLudtduuRiCdtD2R2LC2+-+-Q2V1V2222111LccLcdiudtLduiudtCRC1.1列出状态方程112221011LLcciiLuuCRC210100LciVui式中相应的系数矩阵记为：22221011LACRC20B20100C1.1列出状态方程12为了消除开关纹波的影响，需要对状态变量在一个开关周期内求平均，并为平均状态变量建立状态方程。1.2求出平均变量平均状态向量为：1sstTTtsxtxdT13由上式得111sssstdTTTtTsxtAxBudT22sssssdTTTTtdTAxBud1.2求出平均变量141212''ssxdAdAxdBdBvAxBv12'ydCdCx整理得状态空间平均方程：采用同样的分析方法可得：式中：d+d'=11.2求出平均变量15122210110LLccdiiLVLuuCRC21010LciVuid将相应的系数矩阵带入，得Buck方向电路状态空间平均方程为：1.2求出平均变量161.3分离扰动当输入电压变化或有扰动时，会影响到占空比、状态变量、输出变量的变化，令瞬时值等于稳态值加扰动量，如右式；式中D+D'=1，将式右式代入平均状态变量方程。111'''vVvdDddDdxXxyYy171112XxAXBVAxBvAAX1212YyCXCxCCXdCCdx12112121BBVdAAdxBBdv得：1.3分离扰动18在以上两式中，等号两边的直流量与交流量对应相等。使直流量相等，且稳态时状态向量的直流分量X为常数，可得到：0X10XAXBVYCX11XABVYCABV1.3分离扰动191222210'11LAdAdACRC12'0DBdBdBL1201'0CdCdCD上式中：1.3分离扰动20由此得稳态解为：11211LcDVIRXABVUDV21112LVDVYCABVIDI1.3分离扰动211.4线性化使平均状态变量方程等号两端交流分量相等，得扰动方程：112121xAxBvAAXBBVd1212yCxCCXdCCdx12121AAdxBBdv式中有二阶分量，故为非线性方程，假设动态分量远小于稳态量，则二阶分量忽略不计。2211212112xAxBvAAXBBVdyCxCCXd得到线性化的小信号状态方程与输出方程为：1.4线性化23将相应的系数矩阵带入上式，得：11222101100LLccDViiLxvdLLuuCRC210100010LLcCcLLiIvuydUDuiDiId1.4线性化24式上式进行拉氏变换，得：11211222221LLcLDViDisdsRsLisDVsVdsVsRVsUsissRC1.4线性化25由上式可画出Buck方向电路的低频小信号等效电路，如图5所示。C2L+-**1i1VdLi1:D1VdR+-R2V21V1.5Buck方向小信号模型图5Buck方向小信号模型262、Boost方向小信号模型的建立Boost方向电路结构如图6所示。忽略电感、电容的寄生电路，开关管、二极管均假定为理想器件。选择电感电流和电容电压为状态变量，输出电压和输入电流为输出变量。R1C1+-+-i2iLV1V2D1Q2L图6Boost方向在连续状态下的等效电路272、Boost方向小信号模型的建立电感电流连续时，Boost电路的两种开关状态见图7（a）和（b）。R1C1+-+-i2V1V2LQ2R1C1+-+-V1V2LD1(a)0≤t≤dTs(b)dTs≤t≤Ts图7Boost电路的两种开关状态的等效电路28211001100LLcciivLuuRC120110Lcivui（1）0≤t≤dTs（时间段记为d'Ts），状态空间方程：2、Boost方向小信号模型的建立292、Boost方向小信号模型的建立2111101110LLcciiLvLuuCRC120110Lcivui（2）dTs≤t≤Ts（时间段记为dTs），状态空间方程：30Boost方向的静态工作点为：2、Boost方向小信号模型的建立21211LcIRDXVUD1222111VDYVIRD2LII1cUV其中：，312、Boost方向小信号模型的建立Boost方向状态空间小信号方程为：211110011100LLccDiiLLxvdLDuuCRCC120110Lcivyui3221121112111LLsLisVsVdsDVsVsCVsDisVsdsRRD上式进行拉氏变换，得：2、Boost方向小信号模型的建立2Lisis1cVsUs其中：，33C1**D:1+-R1L121VdRD+-i1iL2V1V1Vd2、Boost方向小信号模型的建立由上式可得Boost方向的低频小信号等效电路，如图8所示。图8Boost方向小信号模型343双向Buck-Boost变换器的小信号模型由图5所示的Buck方向和图8所示的Boost方向的小信号模型，可以得到双向Buck-Boost变换器的小信号模型，如图9所示，等效隔离变压器变压比为1:D。C2L**1:DR211VVIVC11K2K22VVR1图9双向Buck-Boost直流变换器小信号模型353双向Buck-Boost变换器的小信号模型1BuckVVd12BuckVIdR①Buck方向时，K2断开，电源V1提供负载R2能量：1BoostVVd121BoostVIdRD②Boost方向时，K1断开，电源V2提供负载R1能量：③稳态时，电压之间的关系满足下式：12:1:VVD36121222021dVsvsVGssLdssLCR221212021dsvsDGssLVssLCR④Buck方向时，控制-输出传递函数和输入-输出传递函数为：3双向Buck-Boost变换器的小信号模型37221111212201111dVsLsvsRDGsVLsLDdssCDRD112221220111dsvsDGsLsLVssCDRD⑤Boost方向时，控制-输出传递函数和输入-输出传递函数为：3双向Buck-Boost变换器的小信号模型38四、状态空间平均法建模方法1列出状态方程2求出平均变量3分离扰动4线性化5得出小信号模型