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开关电源的电路仿真分析(建模)方法

作者:时间:2012-09-26来源:网络

  分析方法主要有:状态变量法、节点分析法、改进的节点分析法、状态空间平均法等。

  1)以状态变量法为基础的仿真技术

  状态变量法可以很容易地得到电路的瞬态性能,并评价电路的稳定性。状态变量法是以电路中某些支路的电压和电流当做状态变量建立电路的状态方程。一般是取电容上的电压和电感中的电流作为未知的状态变量,然后再用图论的方法列出方程,来决定每一电路的固有树(Proper Tree)。电路各变量并不直接包含在状态变量中,而是利用一组显式代数方程求出。

  对于开关转换器这样的离散电路,应首先列出电路的分段线性状态方程,而后求状态转移规律,并由此导出描写电路的非线性差分方程,此法称为离散时域法。美国VIRginia电力电子中心开发的面向系统的开关转换器仿真软件COSMIR就属于这一类型。它将开关器件理想化,转换器的每一个运行模式都由一组线性时不变状态方程描述,在考虑开关条件以后,用直接数字积分法或解析法求解,可以快速地得到稳态响应或大信号瞬态响应。也有的以网孔法或节点法为基础而建立的离散时域法仿真程序。

  以状态变量法为基础的仿真技术的缺点是:不能与SPICE等通用程序兼容;由于开关器件理想化,不能分析器件开通或关断瞬间开关器件上的电应力变化。

  2)以节J点分析法为基础的仿真技术

  以节点分析法为基础的仿真技术可以应用于电力系统等大系统的仿真,有EMTP、ATP、PECAN等程序。EMTP是电力系统瞬态分析的工具, ̄{\TP则是功率转换器和电力传动的仿真工具。PECAN是专用于仿真电力电子闭环系统的分析程序。以节点分析法为基础仿真电力电子电路,其主要的缺点是:处理电源不充分,不能包含与电源有关的元件;不便得到支路电流;难以实现有效的数字积分;分析线性电路的零、极`点要用特殊技术;难以快速分析电力电子电路的稳态等。

  3)以改进的节J点分析法为基础的仿真技术

  对节点分析法进行改进,引入适当的支路电流,并包括电压源及各种与电流有关的元件,相应的支路关系成为附加电路方程,部分地改善了上述节点分析法的一些缺点。SPICE通用程序就是以此法为基础形成的。在这一技术中求解方程时采用的是直接法,即将非线性代数一微分方程式转换为一组非线性差分方程,应用牛顿一拉夫逊法迭代求解方程组,利用稀疏LU分解技术连续求解线性代数方程组。它的主要缺点仍是:电力电子电路稳态分析费时较多;线性电路零、极点分析需要特殊技术,而且需要更多的电路变量等。

  4)以状态空间平均法为基础的仿真技术

  状态空间平均法是目前国际上公认的分析PWM开关转换器的有效方法。其实质为:利用一个周期内的平均状态变量,将一个非线性、时变、开关电路,转变为一个等效的非线性、时不变、连续电路,因而可以对开关转换器做大信号瞬态分析,并可以决定其小信号传递函数及零、极点配置,建立一个状态空间平均电路模型。美国加州理工学院研究开发的开关转换器仿真软件(Switching CONverter Analysis Program,SCAP)就是以状态空间平均法为基础编制而成的,可以在个人计算机上进行直流和小信号分析。

  在用SPICE(Simulati。n Program With Integrated Circuit Emphasis)通用电路程序具体仿真一个开关转换器时,也结合状态空间平均法的概念,从而建立开关转换器功率电路及控制集成电路的仿真模型,分别编制出SPICE仿真子程序,附加到SPICE程序中,可以进行大信号、小信号瞬态分析及直流分析。

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