XX学
研究生课程文研究报告
课程名称：电力电子系统建模分析
课教师：
完成日期： 2016 年 X 月 X 日
专 业： 电力电子电力传动
学 号：
姓 名：
组成员：
成 绩：
题目求
某户需直流电源求：直流输出24V200W输出电压波动纹波均<1户220V交流电网（±10波动变化）供：
(1) 设计电源电路参数
(2) 建立电路数学模型获开关变换器传函模型
(3) 设计控制器参数出控制补偿器前补偿开环传递函数波特图分 析系统动态稳态性
(4) 根设计控制补偿器参数进行电路仿真实现电源求
(5) 讨建模中忽略似素数学模型影响出适应性结(量化 性结：具体开关频率具体允许扰动幅值频率等）
工作
次设计负责电源电路参数设计建立电路数学模型获开关变换器传函模型两部分容具体：
(1) 次设计电源电路参数采前逆设计思想首先根系统输出求设计级DCDC型Buck电路参数接着设计前级控整流电路工频变压器参数考虑电路启动运行时安全性电路中加入软启动电路
(2) 次DCDC变换器建模没采传统状态空间均方法采更简单直观均开关建模方法建立Buck变换器信号交流模型推出开关变换器传递函数模型出Buck电路闭环控制框图
1 设计电路参数
11电路设计
根题目求系统单相交流220V50Hz输入直流24V200W输出功率单相交流输入场合二极控整流电路简单性高产生高次谐波较少广泛应间断电源(UPS)开关电源等场合初步确定系统电路拓扑：前级ACDC电路电源变压器降压二极控整流级DCDC电路Buck斩波电路中Buck电路工作电感电流连续模式（CCM）前级间通直流母线直流电容连接起系统电路结构图11示
图11 系统电路结构图
12电路参数设计
次设计电源电路参数采前逆设计思想先级DCDC型Buck电路参数进行设计接着前级控整流电路工频变压器参数进行设计面分级Buck电路前级变压器降压控整流电路参数进行分析设计
121 输出电阻计算
根系统电路参数：计算：
输出电流：
（11）
负载等值电阻：
（12）
122 BUCK电路占空开关频率选择
根Buck电路占空计算公式：
假定占空：
（13）
开关频率越低低频扰动频率选择范围越滤波电感体积越整体装置体积重量越开关频率高更电感滤高次谐波开关频率高会导致开关功耗变发热量显著增加电路效率变低散热器体积更折中效率体积选择开关频率次设计选择MOSFET开关频率
123 BUCK电路滤波电感选择
BUCK电路电感电流连续界条件：
保证电路工作CCM模式电感应满足：
（14）
根开关频率
（15）
假定电感纹波电流输出负载电流额定值30时电感值应：
（16）
保留定余量系统实取
124 BUCK电路滤波电容选择
电容容值越输出电压似恒定电容越装置体积成相应增系统根输出电压纹波求选取电容设计输出电压纹波超输出电压1进行计算：
（17）
保留定余量系统实取
125 开关MOSFET选择
开关导通时MOSFET端电压似0V开关关断时MOSFET承受电压：
（18）
开关周期流开关电流值等电感电流值：
（19）
综考虑裕量选择MOSFET型号IRF650A额定参数
126 整流直流侧电容选择
直流母线电压通单相桥式整流周期发生2次脉动单相工频电压周期T002sT2周期电容完成充电放电周期直流侧电容选择：
（1） 电流例：05A电流1000uF
（2） RC时间常数例：单相控整流电路
中T交流电源周期
：
（110）
（3）种验数：
负载电流(A) 2A 1A 051A 0105A ＜01A ＜005A
滤波电容(μF)4000 2000 1000 500 200500 200
根直流侧电压均值48V直流侧等效电流约验数概估算直流侧电容10000uF系统实际选择100V100uF CL20型金属化聚脂膜电容器采10联
127 整流二极选择
（1）确定整流二极耐压值
根全桥整流电路中二极承受反电压：
整流二极耐压值：
（111）
中整流桥输入电压效值11电压波动系数安全系数
二极耐压值：
（112）
（2）确定整流二极额定电流值
流二极均电流直流侧电流半取电流波动系数取11安全系数整流二极额定电流值：
（113）
根述参数选择二极型号P600D查参数手册知二极通态压降二极额通态损耗：
（114）
128 变压器选择
电压：
变压器电压计算原电路占空低输入电压条件输出电压达求限根公式：
中二极整流桥输出电压值占空取09
考虑压降线压降取2V高输出电压
实际根单相二极控整流电路输入输出关系控整流输入侧电压变压器二次侧电压：
（115）
变压器电压：
（116）
容量：
根系统输出功率考虑电路损耗效率变压器容量选择300VA
铁芯截面积：
铁芯截面积根变压器总功率P确定根变压器次级功率P2200W计算变压器输入功率P1（考虑变压器效率η09）P1P2092222w
铁芯截面积：
（117）
匝数：
变压器匝数选择（工频变压器)
根变压器高输出电压电源周期铁心截面积铁心材料允许磁通密度变化量变压器二次侧绕组匝数：
（118）
变压器次侧绕组匝数：
（119）
绕组导体截面：
根流绕组电流值预先选定电流密度计算出绕组导体截面：
（120）
中导体电流密度选
129 电路软启动设计
二极控整流直流侧电容初始电压零输入电路合闸瞬间会形成瞬时击电流电路软启动电路仅防止合闸时电路受浪涌电流击电路缓慢启动减变换器输出电容电流值软启动电路性坏会直接影响电源工作性元器件寿命重常软启动：采功率热敏电阻电路采SCRR电路继电器电阻构成回路采定时触发器继电器限流电阻电路等等根系统实际需避免系统启动引起系统浪涌问题采加入软启动环节进行处理图12示先通电阻R输入滤波环节滤波电容进行预充电充电完成接入时间继电器KT电阻R短路加入软启动环节避免瞬时电压电流击保证系统工作安全元器件安全
图12 软启动电路结构图
2 建立电路数学模型获开关变换器传函模型
状态空间均方法建模纯粹基数学计算推导较繁琐模型直观均开关建模方法直接通电路变换电力电子电路信号交流模型更直观更方便次DCDC变换器建模采均开关方法建模
21建立电路数学模型
DCDC变换器分割成两子电路子电路线性定常子电路开关网络子电路线性定常子电路需进行处理关键通电路变换非线性开关网络子电路变换成线性定常电路图21示Buck变换器电路图22出Buck变换器开关网络子电路开关网络子电路二端口网络表示端口变量
图21 Buck变换器电路
图22 Buck变换器开关网络子电路
根开关导通时开关关断时述开关网络子电路受控源代图23示代受控源网络端口开关网络子电路端口电量波形应保持致代开关网络受控源电路原线性定常子电路组合起含受控源等效Buck电路图24示
图23 受控源代开关网络子电路
图24 受控源代开关网络Buck电路
应开关周期均概念图24等效电路中电量作开关周期均运算：
（21）
开关周期均值表示等效电路图25示该电路非线性电路
图25 开关周期变换Buck变换器
采扰动法述等效电路中电量引入信号扰动令：
（22）
信号扰动作等效电路图26示
图26 信号扰动Buck电路
中：
（23）
图26等效电路电量中含二次项忽略(受控源电量) ：
（24）
线性似受控源表示信号等效电路图27示
图27 忽略二次项影响信号扰动Buck电路
进步理想变压器代受控源线性似理想变压器表示信号等效电路图28示
图28 理想变压器表示信号等效Buck电路
22开关变换器传递函数模型
述建立Buck电路信号交流均开关模型推出变换器传递函数：
输入输出传递函数：
（25）
控制输出传递函数：
（26）
Buck电路闭环控制框图图29示
图29 Buck电路闭环控制框图
中：
（1） 需设计控制器
（2） PWM调制器传递函数
（3） 输出电压占空传递函数
（4） 反馈环节传递函数
设计中取计算数值带入闭环控制框图系统Buck电路闭环控制框图图210示
图210系统 Buck电路闭环控制框图
中原始回路增益：
（27）
3 设计控制器参数
没加控制器补偿前变换器原始回路增益函数：
（31）
伯德图图31示
图31 原始回路增益伯德图
利超前—滞补偿网络校正系统设计补偿网络传递函数：
（32）
相应补偿网络伯德图图32示
图32 补偿网络伯德图
补偿系统开环传递函数伯德图图33示
图33 补偿系统伯德图
图出时系统相位余量675°幅值余量203dB
4 电路仿真
根设计电路控制器参数PSIM中搭建仿真电路进行仿真验证仿真模型仿真结果示：
图41 电路仿真模型
图42 控制电路仿真模型
系统输出电压Uo输出电流Io波形图4345示
图43 输出电压波形图
图44 输出电压效值
图45 输出电流波形图
图46 输出电压局部放图
图46知输出电压稳态值24V波动约002<1满足设计求超调量125调节时间约3ms
图47 突加100负载输出电压波形图
图47知004s时加入100负载扰动输出电压然稳定24V满足1纹波设计求
图48 输出电路电压电流波形图
图49 输出电路电压电流效值
图49中输出电压电流效值计算输出功率约PU*I24*831992W输出功率基满足设计求
5 建模中忽略似素数学模型影响
（1）开关频率电路模型影响
开关频率越低低频扰动频率选择范围越滤波电感体积越整体装置体积重量越开关频率高更电感滤高次谐波开关频率高会导致开关功耗变发热量显著增加电路效率变低散热器体积更更加折中效率面积选择开关频率
电路模型开关频率越输出结果越接数学模型般开关频率取截止频率100倍
（2）扰动频率数学模型影响
扰动频率高：果高开关频率般正弦信号模拟扰动开关周期扰动信号正负分量相互抵消信号扰动失意义
扰动频率低：果扰动频率低开关周期扰动信号基恒定值相定电压叠加变直流量体现信号动态模型
综扰动频率选择应合适范围样方便电路进行分析控制失动态建模意义
（3）扰动幅度影响
信号扰动幅值应远稳态工作点量幅值根仿真结果着扰动幅度增数学模型输出电压变化幅度较扰动幅值超±5V时输出电压纹波满足1设计求
（4）影响
实际电路中存电感等效电阻开关开通关断时间压降等会电路模型输出产生影响量会影响信号建模准确性适性
6 参考文献
[1] 裴云庆等 开关稳压电源设计应[M] 北京：机械工业出版社 2010
[2] 王兆安等 电力电子技术[M] 5版北京：机械工业出版社 2009
[3] 林渭勋 现代电力电子技术[M] 北京：机械工业出版社 2006
[4] 张崇巍 PWM整流器控制[M] 北京：机械工业出版社 2003
[5] 徐德鸿 电力电子系统建模控制[M] 北京：机械工业出版社 2006
[6] 张占松 蔡宣三 开关电源原理设计(修订版)[M] 电子工业出版社 2006
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XX学
研究生课程文研究报告
课程名称：电力电子系统建模分析
课教师：
完成日期： 2016 年 X 月 X 日
专 业： 电力电子电力传动
学 号：
姓 名：
组成员：
成 绩：
题目求
某户需直流电源求：直流输出24V200W输出电压波动纹波均<1户220V交流电网（±10波动变化）供：
(1) 设计电源电路参数
(2) 建立电路数学模型获开关变换器传函模型
(3) 设计控制器参数出控制补偿器前补偿开环传递函数波特图分 析系统动态稳态性
(4) 根设计控制补偿器参数进行电路仿真实现电源求
(5) 讨建模中忽略似素数学模型影响出适应性结(量化 性结：具体开关频率具体允许扰动幅值频率等）
工作
次设计负责电源电路参数设计建立电路数学模型获开关变换器传函模型两部分容具体：
(1) 次设计电源电路参数采前逆设计思想首先根系统输出求设计级DCDC型Buck电路参数接着设计前级控整流电路工频变压器参数考虑电路启动运行时安全性电路中加入软启动电路
(2) 次DCDC变换器建模没采传统状态空间均方法采更简单直观均开关建模方法建立Buck变换器信号交流模型推出开关变换器传递函数模型出Buck电路闭环控制框图
1 设计电路参数
11电路设计
根题目求系统单相交流220V50Hz输入直流24V200W输出功率单相交流输入场合二极控整流电路简单性高产生高次谐波较少广泛应间断电源(UPS)开关电源等场合初步确定系统电路拓扑：前级ACDC电路电源变压器降压二极控整流级DCDC电路Buck斩波电路中Buck电路工作电感电流连续模式（CCM）前级间通直流母线直流电容连接起系统电路结构图11示
图11 系统电路结构图
12电路参数设计
次设计电源电路参数采前逆设计思想先级DCDC型Buck电路参数进行设计接着前级控整流电路工频变压器参数进行设计面分级Buck电路前级变压器降压控整流电路参数进行分析设计
121 输出电阻计算
根系统电路参数：计算：
输出电流：
（11）
负载等值电阻：
（12）
122 BUCK电路占空开关频率选择
根Buck电路占空计算公式：
假定占空：
（13）
开关频率越低低频扰动频率选择范围越滤波电感体积越整体装置体积重量越开关频率高更电感滤高次谐波开关频率高会导致开关功耗变发热量显著增加电路效率变低散热器体积更折中效率体积选择开关频率次设计选择MOSFET开关频率
123 BUCK电路滤波电感选择
BUCK电路电感电流连续界条件：
保证电路工作CCM模式电感应满足：
（14）
根开关频率
（15）
假定电感纹波电流输出负载电流额定值30时电感值应：
（16）
保留定余量系统实取
124 BUCK电路滤波电容选择
电容容值越输出电压似恒定电容越装置体积成相应增系统根输出电压纹波求选取电容设计输出电压纹波超输出电压1进行计算：
（17）
保留定余量系统实取
125 开关MOSFET选择
开关导通时MOSFET端电压似0V开关关断时MOSFET承受电压：
（18）
开关周期流开关电流值等电感电流值：
（19）
综考虑裕量选择MOSFET型号IRF650A额定参数
126 整流直流侧电容选择
直流母线电压通单相桥式整流周期发生2次脉动单相工频电压周期T002sT2周期电容完成充电放电周期直流侧电容选择：
（1） 电流例：05A电流1000uF
（2） RC时间常数例：单相控整流电路
中T交流电源周期
：
（110）
（3）种验数：
负载电流(A) 2A 1A 051A 0105A ＜01A ＜005A
滤波电容(μF)4000 2000 1000 500 200500 200
根直流侧电压均值48V直流侧等效电流约验数概估算直流侧电容10000uF系统实际选择100V100uF CL20型金属化聚脂膜电容器采10联
127 整流二极选择
（1）确定整流二极耐压值
根全桥整流电路中二极承受反电压：
整流二极耐压值：
（111）
中整流桥输入电压效值11电压波动系数安全系数
二极耐压值：
（112）
（2）确定整流二极额定电流值
流二极均电流直流侧电流半取电流波动系数取11安全系数整流二极额定电流值：
（113）
根述参数选择二极型号P600D查参数手册知二极通态压降二极额通态损耗：
（114）
128 变压器选择
电压：
变压器电压计算原电路占空低输入电压条件输出电压达求限根公式：
中二极整流桥输出电压值占空取09
考虑压降线压降取2V高输出电压
实际根单相二极控整流电路输入输出关系控整流输入侧电压变压器二次侧电压：
（115）
变压器电压：
（116）
容量：
根系统输出功率考虑电路损耗效率变压器容量选择300VA
铁芯截面积：
铁芯截面积根变压器总功率P确定根变压器次级功率P2200W计算变压器输入功率P1（考虑变压器效率η09）P1P2092222w
铁芯截面积：
（117）
匝数：
变压器匝数选择（工频变压器)
根变压器高输出电压电源周期铁心截面积铁心材料允许磁通密度变化量变压器二次侧绕组匝数：
（118）
变压器次侧绕组匝数：
（119）
绕组导体截面：
根流绕组电流值预先选定电流密度计算出绕组导体截面：
（120）
中导体电流密度选
129 电路软启动设计
二极控整流直流侧电容初始电压零输入电路合闸瞬间会形成瞬时击电流电路软启动电路仅防止合闸时电路受浪涌电流击电路缓慢启动减变换器输出电容电流值软启动电路性坏会直接影响电源工作性元器件寿命重常软启动：采功率热敏电阻电路采SCRR电路继电器电阻构成回路采定时触发器继电器限流电阻电路等等根系统实际需避免系统启动引起系统浪涌问题采加入软启动环节进行处理图12示先通电阻R输入滤波环节滤波电容进行预充电充电完成接入时间继电器KT电阻R短路加入软启动环节避免瞬时电压电流击保证系统工作安全元器件安全
图12 软启动电路结构图
2 建立电路数学模型获开关变换器传函模型
状态空间均方法建模纯粹基数学计算推导较繁琐模型直观均开关建模方法直接通电路变换电力电子电路信号交流模型更直观更方便次DCDC变换器建模采均开关方法建模
21建立电路数学模型
DCDC变换器分割成两子电路子电路线性定常子电路开关网络子电路线性定常子电路需进行处理关键通电路变换非线性开关网络子电路变换成线性定常电路图21示Buck变换器电路图22出Buck变换器开关网络子电路开关网络子电路二端口网络表示端口变量
图21 Buck变换器电路
图22 Buck变换器开关网络子电路
根开关导通时开关关断时述开关网络子电路受控源代图23示代受控源网络端口开关网络子电路端口电量波形应保持致代开关网络受控源电路原线性定常子电路组合起含受控源等效Buck电路图24示
图23 受控源代开关网络子电路
图24 受控源代开关网络Buck电路
应开关周期均概念图24等效电路中电量作开关周期均运算：
（21）
开关周期均值表示等效电路图25示该电路非线性电路
图25 开关周期变换Buck变换器
采扰动法述等效电路中电量引入信号扰动令：
（22）
信号扰动作等效电路图26示
图26 信号扰动Buck电路
中：
（23）
图26等效电路电量中含二次项忽略(受控源电量) ：
（24）
线性似受控源表示信号等效电路图27示
图27 忽略二次项影响信号扰动Buck电路
进步理想变压器代受控源线性似理想变压器表示信号等效电路图28示
图28 理想变压器表示信号等效Buck电路
22开关变换器传递函数模型
述建立Buck电路信号交流均开关模型推出变换器传递函数：
输入输出传递函数：
（25）
控制输出传递函数：
（26）
Buck电路闭环控制框图图29示
图29 Buck电路闭环控制框图
中：
（1） 需设计控制器
（2） PWM调制器传递函数
（3） 输出电压占空传递函数
（4） 反馈环节传递函数
设计中取计算数值带入闭环控制框图系统Buck电路闭环控制框图图210示
图210系统 Buck电路闭环控制框图
中原始回路增益：
（27）
3 设计控制器参数
没加控制器补偿前变换器原始回路增益函数：
（31）
伯德图图31示
图31 原始回路增益伯德图
利超前—滞补偿网络校正系统设计补偿网络传递函数：
（32）
相应补偿网络伯德图图32示
图32 补偿网络伯德图
补偿系统开环传递函数伯德图图33示
图33 补偿系统伯德图
图出时系统相位余量675°幅值余量203dB
4 电路仿真
根设计电路控制器参数PSIM中搭建仿真电路进行仿真验证仿真模型仿真结果示：
图41 电路仿真模型
图42 控制电路仿真模型
系统输出电压Uo输出电流Io波形图4345示
图43 输出电压波形图
图44 输出电压效值
图45 输出电流波形图
图46 输出电压局部放图
图46知输出电压稳态值24V波动约002<1满足设计求超调量125调节时间约3ms
图47 突加100负载输出电压波形图
图47知004s时加入100负载扰动输出电压然稳定24V满足1纹波设计求
图48 输出电路电压电流波形图
图49 输出电路电压电流效值
图49中输出电压电流效值计算输出功率约PU*I24*831992W输出功率基满足设计求
5 建模中忽略似素数学模型影响
（1）开关频率电路模型影响
开关频率越低低频扰动频率选择范围越滤波电感体积越整体装置体积重量越开关频率高更电感滤高次谐波开关频率高会导致开关功耗变发热量显著增加电路效率变低散热器体积更更加折中效率面积选择开关频率
电路模型开关频率越输出结果越接数学模型般开关频率取截止频率100倍
（2）扰动频率数学模型影响
扰动频率高：果高开关频率般正弦信号模拟扰动开关周期扰动信号正负分量相互抵消信号扰动失意义
扰动频率低：果扰动频率低开关周期扰动信号基恒定值相定电压叠加变直流量体现信号动态模型
综扰动频率选择应合适范围样方便电路进行分析控制失动态建模意义
（3）扰动幅度影响
信号扰动幅值应远稳态工作点量幅值根仿真结果着扰动幅度增数学模型输出电压变化幅度较扰动幅值超±5V时输出电压纹波满足1设计求
（4）影响
实际电路中存电感等效电阻开关开通关断时间压降等会电路模型输出产生影响量会影响信号建模准确性适性
6 参考文献
[1] 裴云庆等 开关稳压电源设计应[M] 北京：机械工业出版社 2010
[2] 王兆安等 电力电子技术[M] 5版北京：机械工业出版社 2009
[3] 林渭勋 现代电力电子技术[M] 北京：机械工业出版社 2006
[4] 张崇巍 PWM整流器控制[M] 北京：机械工业出版社 2003
[5] 徐德鸿 电力电子系统建模控制[M] 北京：机械工业出版社 2006
[6] 张占松 蔡宣三 开关电源原理设计(修订版)[M] 电子工业出版社 2006
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