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用于求取软开关 PWM 直流变换器稳态解的
MATLAB/Simulink 状态空间模型
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王润新
西安交通大学电气工程学院,陕西西安 (710049)
E-mail:20040698061@rxwang.cn
摘 要: 本文讨论了 MATLAB/Simulink 环境下 PWM 直流变换器的状态空间计算问题,
构建了对硬开关、软开关电路都适用的开关系统仿真平台。直接采用状态方程并借助于
Simulink 提供的紧凑结构,所建平台具有稳定、高效等优点。对硬开关、软开关电路的算例
证实了本文所建仿真平台可行、有效。
关键词:状态空间模型 直流变换器 软开关 稳态 计算机仿真
中图分类号:TP17;TP391.9
1. 引 言
电力电子直流变换器是现代开关电源的核心。在电力电子技术领域,硬开关的直流变换
技术已经得以深入研究,很容易通过仿真甚至数学表达式得到此类变换器完整的输出波形或
解析结果。与此相比,对软开关变换器而言,由于换流过程及换流后所处的模态远较硬开关
电路复杂,即使仅仅求取稳态输出也会遇到很多困难。任何脉宽调制(PWM)软开关直流
变换器,在一个开关周期内除了存在由外部触发脉冲决定的外控换流(Externally Controlled
Commutation )外,还将出现由软开关元件决定的内控换流(Internally Controlled
Commutation)。只要电路稍微复杂一些,在一个周期内,由各个换流动作所分隔而成的时
间段,或者说,由这些时间段对应的线性电路工作模态就可能达到十几种之多,有的甚至达
到 20 种以上。而且,各个工作模态的固有频率互相之间相差较大,内控换流的时刻的确定
也往往成为棘手的问题。
所以,欲对 PWM 软开关电路进行准确计算,需要解决两个方面的问题:(1)正确描
述各个线性工作模态之间的关系;(2)找到一条检测内控换流的途径。从计算机仿真的角
度讲,就是需要设计正确的程序逻辑结构并找到有效的过零检测算法。虽然可以尝试使用现
成的仿真软件实现上述计算,但由于一般的仿真软件考虑了器件的寄生参数,仿真过程总是
需要耗费较长的时间,有时甚至出现无法收敛的问题。而且,现成软件“黑箱”式的仿真计
算过程也无助于对软开关工作本质的观察和理解。
本文从分析电力电子直流变换器开关过程中电路结构的变化入手,提出一种可以用于软
开关 PWM 直流变换器稳态分析的 MATLAB/Simulink 模型。该模型以分时段线性系统的状
态空间描述为基础,可以可靠地求得软开关 PWM 直流变换器的稳态解。硬开关 PWM 直流
变换器作为一种特例,也可以通过该模型得到包括暂态过程在内的完全响应。本文第 2 节介
绍 PWM 直流变换器的状态空间分析法并讨论其 MATLAB/Simulink 实现过程;第 3 节通过
对一个硬开关电路暂态过程的仿真实例,证明了所提模型的有效性;第 4 节用所提模型对一
个零电压转换软开关电路进行仿真分析,得到了电路的稳态解;最后,第 5 节给出了本文的
结论。
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本文工作得到教育部“高等学校博士学科点专项科研基金”资助(20040698061)。