一种用于系统仿真的dc-dc变换器功能模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于系统仿真的DC-DC变换器功能模型。
【背景技术】
[0002] DC/DC变换器将输入直流电变换成另一固定的直流电压或可调直流电压输出，是 一种能高效实现直流到直流功率变换的电力电子装置。DC/DC变换器广泛应用于车辆、航空 航天器供电系统中。
[0003] -个典型的DC/DC变换器由功率主电路和控制器组成，功率主电路一般由输入滤 波电路、功率开关器件、输出滤波电路组成：输入滤波电路用于减小DC/DC输入电流的脉 动；功率开关管受控制器的控制信号控制，不断的开通关断来实现电压的变换；输出滤波 电路用于减小输出电压纹波。
[0004] 典型DC/DC变换器的控制器部分通过采集DC/DC变换器输出电压或电感电流，通 过闭环调节等得到用于控制功率开关器件通断的开关控制信号。此外，典型DC/DC变换器 还具有过流保护、过压保护等功能，当负载电流过大或输入电压过高时，典型DC/DC变换器 根据设定的保护曲线控制功率开关管处于关断状态，从而实现故障保护。
[0005] DC/DC变换器的主要性能指标如下：
[0006] 1)额定输入电压与允许输入电压变化范围
[0007] 2)额定输出电压与输出电压变化范围
[0008] 3)效率：随输入电压、输出电流的变化而变化
[0009] 4)输入电压调节效应：恒定负载下，输入电压由允许的最低值变化到允许的最高 值时，输出电压的变化幅值
[0010] 5)负载调节效应：恒定输入电压下，负载由空载变为满载时，输出电压的变化值
[0011] 6)软起动特性：在恒定输入电压条件下，DC/DC变换器起动时其输出电压由零变 化到期望输出电压的变化曲线
[0012] 7)保护功能：过压保护、过流保护等保护功能
[0013] 8)冲击电流：DC/DC变换器上电时，由输入滤波电路带来的冲击电流
[0014] 9)输出电压动态响应：丨旦定输入电压条件下，当负载发生突变时，输出电压的下 降（上升）时间、恢复时间、跌落（升高）幅值等
[0015] 仿真作为一种重要的系统设计与评估手段，需要可正确反映DC/DC变换器特性的 模型。过去数十年都有学者针对DC/DC变换器的模型开展研究，但这些模型多基于对DC/DC 拓扑结构、控制结构和元件参数的充分了解；在没有这些知识的情况下，往往难以建立准确 的DC/DC模型。而且这些模型由于过多注重实际DC/DC变换器的拓扑结构、控制结构和元 件参数，所以模型的仿真速度比较慢，不适合用于系统级建模仿真。
[0016] 现有技术一：状态空间平均法建立DC/DC变换器模型
[0017] 状态空间平均法实质为：根据由线性RLC元件、独立电源和周期性开关组成的原 始网络，以电容电压、电感电流为状态变量，按照功率开关器件的'0N'和'OFF'两种状态， 利用时间平均技术，得到一个周期内平均状态变量，将一个非线性、时变、开关电路转变为 一个等效的线性、时不变、连续电路，因而可对DC-DC开关变换器进行大信号瞬态分析，并 可决定其小信号传递函数，建立状态空间平均模型。
[0018] 对于不考虑寄生参数的理想PWM变换器，在连续工作模式（CCM)下一个开关周期 有两个开关状态相对应的状态方程为
[0019]
[0020] 式中d为功率开关管导通占空比，d=t/TOT，tOT为导通时间，T为开关周期；X= [kνε]，X是状态变量，k是电感电流，是电容电压；V是开关变换器的输入电压；y为输 出状态变量;Al，A2,Bl，B2,Cl，C2是系数矩阵，与电路结构和参数有关。
[0021] 对式（1)进行平均，得到状态平均方程为
[0022]
[0023] 这就是状态空间平均法，使得一个开关电路用一个线性电路来替代。
[0024] 现有技术一的缺点
[0025] ①状态空间平均法以解析式形式描述低频小信号扰动下的特性，不够直观；
[0026] ②当变换器有更多的开关状态和含有更多的电容和电感动态元件时，状态空间
[0027] 平均法需要进行大量的运算，运用起来非常复杂；
[0028] ③状态空间平均法基于DC/DC变换器的拓扑结构、控制方式和参数认知的基础 上，较适合于对DC/DC变换器进行设计分析时采用，而对于系统分析来说，一方面其拓扑结 构、控制方式、参数等信息往往是未知的，另一方面采用状态空间平均法建立的模型往往比 较复杂，使得仿真速度慢甚至出现不收敛情况。
[0029] 现有技术二：电路平均法建立DC/DC变换器模型
[0030] 电路平均法技术方案
[0031] 电路平均法是从电路结构出发，利用时间平均技术进行电路分析，但当电路元件 增多，要得出平均后的拓扑结构需要很大的运算量。
[0032] 如图1所示，把变换器的功率开关管和二极管作为整体看成一个三端开关器件， 用其端口的平均电压、平均电流的关系来表征该模型，然后把它们适当地嵌入到要讨论的 变换器中，变成平均值等效电路，如图2所示。
[0033] 电路平均法的缺点
[0034] ①需预知开关变换器的直流稳态特性和动态特性；
[0035] ②电路平均法基于DC/DC变换器的拓扑结构、控制方式的基础上，对于系统分析 来说，其拓扑结构、控制方式、参数等信息往往是未知的，这就造成采用电路平均法进行建 模时的困难。
【发明内容】
[0036] 本发明针对现有技术的缺陷提出一种用于系统仿真的DC/DC变换器功能模型，仿 真速度快，而且模型的建立不依赖于拓扑结构、控制结构和元件参数。该功能模型基于DC/ DC变换器的数据手册或实验测试数据。本发明提出的DC/DC变换器功能模型能够体现DC/ DC变换器的以下特性：控制信号、稳态性能、软起动、冲击电流、输出电压动态性能及变换 器的保护功能。
[0037] 本发明采用了如下技术方案：
[0038] -种用于系统仿真的DC-DC变换器功能模型，其特征在于包括：
[0039] 控制逻辑部分，根据功率部分反馈的输入电压、输出电流信号判断DC/DC变换器 的工作状态，根据DC/DC变换器的控制命令与DC/DC变换器的工作状态进行逻辑判断，发送 开通/关断信号给功率部分，并在DC/DC变换器起动时输出软起动信号给功率部分；
[0040] 功率部分，根据开通/关断信号和软起动信号控制输出电压、输入电流。
[0041] 优选地，控制逻辑部分包括：
[0042] 过流检测模块，对功率部分反馈的输出电流信号进行判断，当DC/DC变换器发生 过流故障时，过流检测模块输出过流信号；
[0043] 过压检测模块，过压检测模块对功率部分反馈的输入电压信号进行判断，当DC/DC 变换器发生过压故障时，过压检测模块输出过压信号；
[0044] 逻辑综合模块，将过压信号、过流信号与控制命令进行逻辑运算，得到开通/关断 信号以及软起动模块的控制信号；
[0045] 软起动模块，根据逻辑综合模块输出的控制信号和输入电压生成软起动信号。
[0046] 本发明所提出的DC/DC变换器功能模型，不基于开关变换器的拓扑结构、控制方 式和参数取值等信息的获取，可反映DC/DC变换器的稳态性能，能反应输入电压、负载、输 入电压调节效应、负载调节效应、效率等对开关变换器性能的影响，包含开关变换器的软起 动特性、过压保护、过流保护等功能，具有输入动态性能和输出动态性能的模拟。模型的建 立仅需要DC/DC变换器的数据手册或实验测试数据，仿真速度快，特别适合于商用DC/DC变 换器的建模和系统级别的建模仿真分析。
【附图说明】
[0047] 图1是三端开关器件；
[0048] 图2是三端开关器件平均电路；
[0049] 图3是本发明原理框图；
[0050] 图4是本发明原理图详细剖分；
[0051] 图5是开通关断信号与输出电压；
[0052] 图6是DC/DC变换器动态模型；
[0053] 图7是DC/DC变换器冲击电流；
[0054] 图8是DC/DC变换器稳态模型；
[0055] 图9是DC/DC变换器输出电压动态调节。
【具体实施方式】
[0056] 下面结合附图详细介绍本发明在实施过程中的所涉及的细节，以支持权利要求部 分。
[0057] 如图3,图4所示为DC/DC变换器功能模型原理框图，包括控制逻辑部分与DC/DC 变换器功率部分。
[0058] 控制逻辑部分根据功率部分反馈的输入电压、输出电流信号判断DC/DC的工作状 态，根据DC/DC变换器的控制命令CMD与DC/DC的工作状态进行逻辑判断，发送开通/关断 信号On/off给功率部分，并在DC/DC起动时输出软起动信号Soft-start给功率部分。功 率部分根据开通/关断信号On/off和软启动信号Soft-start控制输出电压、输入电流。
[0059] 控制逻辑部分由过流检测模块、过压检测模块、逻辑综合模块及软起动模块组成， 用于模拟DC/DC变换器的过流保护功能、过压保护功能、控制功能与软起动功能。过流检测 模块对功率部分反馈的输出电流进行判断，当DC/DC输出电流发生过流故障时，过流检测 模块输出过流信号trip。（根据I2t曲线进行判断，当I2t大于设定的阀值时认为发生过流故 障，电流越大该时间越小）用于控制DC/DC变换器关断，使得变换器的输出电压、输入电流 为零。过压检测模块对功率部分反馈的输入电压信号进行判断，当DC/DC输入发生过压故 障时，过压检测部分输出过压信号tripv(将输入电压与设定的过压保护阀值进行比较，输 入电压大于保护阀值时，对DC/DC进行延时关断；若在延时过程中输入电压降到保护阀值 以下则DC/DC不关断，反之在延时过程中输入电压保持高于保护阀值，延时完成后关断DC/ DC)用于控制DC/DC变换器关断。逻辑综合模块将过压信号tripv、过流信号trip。与控制 命