本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于高增益隔離型雙向dc-dc變換器的分析優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

由于變換器中存在非線性的開關(guān)器件，開關(guān)電源屬于非線性系統(tǒng)，因此用傳統(tǒng)的線性系統(tǒng)理論對開關(guān)電源進行穩(wěn)定性分析比較復(fù)雜麻煩?？紤]到直流變換器在應(yīng)用時，必須要具備較好的靜態(tài)和動態(tài)特性，也就意味著，必須設(shè)計性能良好的穩(wěn)壓控制器，所以要對變換器進行小信號建模分析。為了得到開關(guān)電源在低頻、小信號下的模型與性能，可利用狀態(tài)空間平均法(state-spaceaveragingmethod)來分析變換器模型。在開關(guān)數(shù)量較多，開關(guān)時序復(fù)雜的情況下，利用變換器動力學(xué)方程建立變換器的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，且不能統(tǒng)一地表述變換器在整個開關(guān)周期的行為。因此用一個統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來完整的描述變換器的行為，這就亟需本領(lǐng)域技術(shù)人員解決相應(yīng)的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，特別創(chuàng)新地提出了一種基于高增益隔離型雙向dc-dc變換器的分析優(yōu)化方法。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種基于高增益隔離型雙向dc-dc變換器的分析方法。建立降壓模式和升壓模式下的兩種開關(guān)狀態(tài)的狀態(tài)空間描述。基于狀態(tài)空間描述得到變換器在兩種模式下的狀態(tài)平均方程。在狀態(tài)平均方程引入小信號擾動，推導(dǎo)出兩種模式下的傳遞函數(shù)。

本發(fā)明公開一種基于高增益隔離型雙向dc-dc變換器的分析優(yōu)化方法，包括如下步驟：

s1，獲取dc-dc變換器的狀態(tài)參數(shù)，建立降壓模式和升壓模式下的兩種開關(guān)狀態(tài)的狀態(tài)空間描述；

s2，基于狀態(tài)空間描述得到dc-dc變換器在兩種模式下的狀態(tài)平均方程；

s3，在狀態(tài)平均方程引入小信號擾動，推導(dǎo)出兩種模式下的傳遞函數(shù)；從而控制dc-dc變換器的電壓輸出，保證精準(zhǔn)控制電壓輸出。

所述的基于高增益隔離型雙向dc-dc變換器的分析優(yōu)化方法，優(yōu)選的，所述s1包括：

建立降壓模式下的兩種開關(guān)狀態(tài)空間描述：

當(dāng)開關(guān)q1和q3導(dǎo)通，q2和q4關(guān)斷時，電路的狀態(tài)空間描述為

其中，

當(dāng)開關(guān)q1和q3關(guān)斷，q2和q4導(dǎo)通時，電路的狀態(tài)空間描述為：

其中，

其中，lm是勵磁電感，l2是變壓器二次側(cè)電感，c1是c1的電容值，cl是低壓側(cè)輸出濾波電容的電容值，ro，l是降壓模式下輸出負(fù)載，是勵磁電感電流，i2是二次側(cè)電感電流，vc1是電容c1兩側(cè)電壓，vc2是電容c2兩側(cè)電壓，是低壓側(cè)輸出濾波電容電壓，vo，l是降壓模式下輸出電壓，vi，h是降壓模式下輸入電壓，n為變壓器匝比；

建立升壓模式下的兩種開關(guān)狀態(tài)空間描述：

當(dāng)開關(guān)q1和q3導(dǎo)通，q2和q4關(guān)斷時，電路的狀態(tài)空間描述為

其中，

當(dāng)開關(guān)q1和q3關(guān)斷，q2和q4導(dǎo)通時，電路的狀態(tài)空間描述為

其中，

其中，lm是勵磁電感，l2是變壓器二次側(cè)電感，c1是c1的電容值，ch是高壓側(cè)輸出濾波電容的電容值，ro，h是升壓模式下輸出負(fù)載，是勵磁電感電流，i2是二次側(cè)電感電流，vc1是電容c1兩側(cè)電壓，vc2是電容c2兩側(cè)電壓，是高壓側(cè)輸出濾波電容電壓，vo，h是升壓模式下輸出電壓，vi，l是升壓模式下輸入電壓，n為變壓器匝比。

所述的基于高增益隔離型雙向dc-dc變換器的分析優(yōu)化方法，優(yōu)選的，所述s2包括：

降壓模式下的狀態(tài)空間平均方程：

升壓模式下的狀態(tài)空間平均方程：

所述的基于高增益隔離型雙向dc-dc變換器的分析優(yōu)化方法，優(yōu)選的，所述s3包括：

假設(shè)變換器在直流穩(wěn)定狀態(tài)點[d，x，u]發(fā)生擾動，也就是

其中，u和為輸入電壓，u為輸入電壓直流穩(wěn)定狀態(tài)值，為輸入電壓干擾值，x和為電路的狀態(tài)空間向量，x為電路的狀態(tài)空間直流穩(wěn)定狀態(tài)值，為電路的狀態(tài)空間干擾值，d和為電路控制占空比，d為電路控制占空比直流穩(wěn)定狀態(tài)值，為電路控制占空比干擾值；

并且假設(shè)，各個擾動遠(yuǎn)小于變換器在靜態(tài)工作點的值

基于變換器在降壓模式和升壓模式下的狀態(tài)空間平均方程，加入小信號擾動，同時忽略非線性狀態(tài)方程中的二階變動項，可得到兩種模式下小信號擾動狀態(tài)空間方程；

在降壓模式下的小信號擾動狀態(tài)空間方程為：

而因此

其中，降壓向量

考慮輸出信號擾動，則輸出方程為

由y＝c^tx得

上述小信號狀態(tài)空間方程拉式變換，得到

其中s為計算變量，

所以，電路的狀態(tài)空間s的多項式為：

輸出擾動s的多項式

其中，i表示單位矩陣；

因此推導(dǎo)出變換器在降壓模式下輸入-輸出的傳遞函數(shù)以及占空比-輸出傳遞函數(shù)；

輸入-輸出傳遞函數(shù)：

占空比-輸出傳遞函數(shù)：

其中，vg為輸入電壓；

同理，得到升壓模式下的輸入-輸出傳遞函數(shù)和占空比-輸出傳遞函數(shù)；

升壓模式下輸入-輸出傳遞函數(shù)：

占空比-輸出傳遞函數(shù)：

其中，升壓向量

通過升壓向量從而平衡電壓輸出值。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

1.在開關(guān)數(shù)量多，開關(guān)時序復(fù)雜的情況，簡化了模型分析優(yōu)化的過程。

2.該分析優(yōu)化方法可以在一個開關(guān)周期內(nèi)完整的描述變換器的行為狀態(tài)。

3.該分析優(yōu)化方法根據(jù)分析變換器的動力學(xué)模型得到一個數(shù)學(xué)模型，在接下來的控制器設(shè)計中，需基于該數(shù)學(xué)模型進行設(shè)計，從而便于控制器的設(shè)計，實現(xiàn)dc-dc變換器電壓的精準(zhǔn)控制，穩(wěn)定輸出，達(dá)到預(yù)期的控制效果。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1高增益隔離型雙向dc-dc變換器電路圖；

圖2高增益隔離型雙向dc-dc變換器等效電路圖；

圖3變換器在降壓模式下q1和q3導(dǎo)通，q2和q4關(guān)斷時電路圖；

圖4變換器在降壓模式下q1和q3關(guān)斷，q2和q4導(dǎo)通時電路圖；

圖5變換器在升壓模式下q1和q3導(dǎo)通，q2和q4關(guān)斷時電路圖；

圖6變換器在升壓模式下q1和q3關(guān)斷，q2和q4導(dǎo)通時電路圖；

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。

本發(fā)明提出了一種基于高增益隔離型雙向dc-dc變換器的分析方法，圖1為高增益隔離型雙向dc-dc變換器電路圖，圖2為該變換器的等效電路圖。

建立降壓模式下的兩種開關(guān)狀態(tài)空間描述：

當(dāng)開關(guān)q1和q3導(dǎo)通，q2和q4關(guān)斷時，此時變換器的等效電路圖如圖3所示，電路的狀態(tài)空間描述為

當(dāng)開關(guān)q1和q3關(guān)斷，q2和q4導(dǎo)通時，此時電路的等效電路圖如圖4所示，電路的狀態(tài)空間描述為：

其中，lm是勵磁電感，l2是變壓器二次側(cè)電感，c1是c1的電容值，cl是低壓側(cè)輸出濾波電容的電容值，ro，l是降壓模式下輸出負(fù)載，是勵磁電感電流，i2是二次側(cè)電感電流，vc1是電容c1兩側(cè)電壓，vc2是電容c2兩側(cè)電壓，是低壓側(cè)輸出濾波電容電壓，vo，l是降壓模式下輸出電壓，vi，h是降壓模式下輸入電壓。

建立升壓模式下的兩種開關(guān)狀態(tài)空間描述：

當(dāng)開關(guān)q1和q3導(dǎo)通，q2和q4關(guān)斷時，此時電路的等效電路圖如圖5所示，電路的狀態(tài)空間描述為

當(dāng)開關(guān)q1和q3關(guān)斷，q2和q4導(dǎo)通時，此時電路的等效電路圖如圖6所示，電路的狀態(tài)空間描述為

其中，lm是勵磁電感，l2是變壓器二次側(cè)電感，c1是c1的電容值，ch是高壓側(cè)輸出濾波電容的電容值，ro，h是升壓模式下輸出負(fù)載，是勵磁電感電流，i2是二次側(cè)電感電流，vc1是電容c1兩側(cè)電壓，vc2是電容c2兩側(cè)電壓，是高壓側(cè)輸出濾波電容電壓，vo，h是升壓模式下輸出電壓，vi，l是升壓模式下輸入電壓。

整個開關(guān)周期的狀態(tài)方程式可以用兩個狀態(tài)下的平均狀態(tài)表示。因此，根據(jù)上述推導(dǎo)的降壓模式和升壓模式下的狀態(tài)空間方程，可以推導(dǎo)出碧娜喚起在降壓模式和升壓模式下，整個開關(guān)周期內(nèi)的狀態(tài)空間平均方程。

降壓模式下的狀態(tài)空間平均方程：

升壓模式下的狀態(tài)空間平均方程：

對變換器在降壓模式下和升壓模式下狀態(tài)空間平均方程進行小信號擾動，即假設(shè)變換器在工作點[d，x，u]發(fā)生擾動，也就是

并且假設(shè)，各個擾動遠(yuǎn)小于變換器在靜態(tài)工作點的值

式中，u、d、x——直流穩(wěn)定狀態(tài)值。

基于變換器在降壓模式和升壓模式下的狀態(tài)空間平均方程，加入小信號擾動，同時忽略非線性狀態(tài)方程中的二階變動項，可得到兩種模式下小信號擾動狀態(tài)空間方程。

在降壓模式下的小信號擾動狀態(tài)空間方程為：

而因此

其中，

考慮輸出信號擾動，則輸出方程為

由y＝c^tx可得

上述小信號狀態(tài)空間方程拉式變換，可得到

所以，

因此可以推導(dǎo)出變換器在降壓模式下輸入-輸出的傳遞函數(shù)以及占空比-輸出傳遞函數(shù)。

輸入-輸出傳遞函數(shù)：

占空比-輸出傳遞函數(shù)：

同理，可以得到升壓模式下的輸入-輸出傳遞函數(shù)和占空比-輸出傳遞函數(shù)。

升壓模式下輸入-輸出傳遞函數(shù)：

占空比-輸出傳遞函數(shù)：

其中，

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。