基于系统辨识的开关变换器动态建模方法研究

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开关电源系统的设计依赖于组成该系统各个环节的数学模型,而开关变换器动态模型的建立是开关电源设计的核心。现有的变换器动态建模方法很难建立其精确的数学模型,特别是对于电路结构复杂、工作模式多的谐振变换器,如课题MPM集成电源系统所用到的半桥LLC倍压谐振变换器和有源箝位倍压谐振变换器。因此,为了更准确和有效的设计MPM开关电源系统,必须探索一种更为准确有效的开关变换器动态建模方法。本课题针对开关变换器特别是复杂的谐振变换器动态建模困难的问题展开研究。提出了一种基于系统辨识的小信号建模新方法。该方法将开关变换器看成一个黑箱。仅从仿真得到的输入输出获取信息,利用系统辨识中最小二乘、递推最小二乘参数估计理论拟合仿真输出的阶跃响应曲线来建立开关变换器的动态模型。从而避开分析开关变换器复杂的工作过程,解决了复杂开关变换器建模难的问题。且该方法仅仅依赖于变换器的输入输出,因此对PFM和PWM型开关变换器同样适用。本文首先对开关稳压系统的组成和各环节的动态模型进行了分析。并研究了PWM变换器的电路特点,以此类变换器为例,从拟合开关变换器输出电压曲线的角度出发,提出了基于系统辨识最小二乘参数估计的建模方法,并给出模型阶次判定准则。然后对该方法的原理进行详细的推导,然后对线性定常系统进行建模,验证了方法的可行性。并利用此建模方法对Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk四种基本的变换器拓扑进行建模。随后又与状态空间平均建模方法比较,验证了该方法的准确性。并将该方法成功应用于有源箝位倍压变换器的小信号建模。接着,分析了PFM型开关变换器的电路特点,并以此为例针对最小二乘参数估计方法的不足,推导出了基于递推最小二乘参数估计开关变换器建模方法。然后将此建模方法成功地应用于复杂的半桥LLC倍压谐振变换器、全桥并联倍压谐振变换器建模。说明了该建模方法不仅适用于PWM型开关变换器,同样适用于PFM开关谐振变换器。最后,编制该建模方法的软件——基于系统辨识建模方法的图形用户界面,以方便开关电源设计者应用并节省工作量。
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