一种通用开关电容建模模块及其建模方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于开关电源的通用开关电容建模模块及其建模方法，该通用开关电容模块共有六个外部端子，内部包括两组互补工作的开关支路和一个等效可变电容器，共有四种工作模式，可便捷地用于各种含开关电容单元的开关电源变换器建模。所提出的通用建模方法，预先完成了该通用开关电容模块的稳态模型、大信号模型和小信号模型的建模，通过将待建模开关电源变换器表示为该通用开关电容模块模型加外部线性网络的形式，可便捷地得到各种含有开关电容单元的开关电源模型。本发明专利技术是一种新型开关电源建模方法，可简化含开关电容单元变换器的建模过程。模型考虑了系统的阻性寄生参数具有较高建模精度，涵盖了常用的大信号模型、稳态模型和小信号模型，可用于系统特性分析和控制器设计，具有广泛适用性。具有广泛适用性。具有广泛适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种通用开关电容建模模块及其建模方法


[0001]本专利技术涉及电力变换器建模技术，具体涉及一种应用于开关电源的通用开关电容(GSCS)建模模块及其建模方法。

技术介绍

[0002]现代开关电源拓扑常采用开关电容单元提高输出电压增益、实现电路软开关性能、提高功率密度等。常见的开关电容单元结构包括串并联型、电压倍增型、 Fibonacci型、Doubler型、Dickson型、Ladder型等；其级联方式多种多样，结构较为复杂、且常呈现多单元级联结构。根据充放电工作方式不同，开关电容单元工作模式又可分为谐振、准谐振、纯电容一阶电路模式、线性电流充放电模式等，复杂的工作状态进一步增加了建模分析的难度。传统的建模方法如状态空间平均法(SSA)、平均开关模型法可用于特定开关电源的平均化建模。对于开关电容型拓扑，随着电路工作状态、器件数量的提升，建模工作量和复杂度大大提升，给研究涉及工作带来困难。

技术实现思路

[0003]开关电容单元常用于开关电源拓扑，含有谐振、准谐振、纯电容一阶电路模式、线性电流充放电模式等多种工作模式，建模过程复杂，动态特性分析带来挑战。本专利技术的目的在于提供一种通用的、面向多种开关电源工作模式的通用建模模块及方法，可以广泛的对各类含有开关电容单元的拓扑进行通用建模，减少此类拓扑建模过程，以解决现有技术下此类拓扑建模面临的上述困难。
[0004]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种应用于开关电源的通用开关电容建模模块(GSCS)，其特征在于，有6个端子，即0号端子、1号端子、2号端子、3 号端子、4号端子和5号端子连接外部线性电路，0号端子连接等效电压源vo，1号端子连接等效电流源i1，2号端子连接等效电流源i2，3号端子连接等效电压源v3， 4号端子连接等效电压源v4，5号端子连接等效电压源v5。
[0005]GSCS模块内部包含两对互补工作的开关支路分别是K1(d)、K1’
(d
′
)和K2(d)、 K2’
(d
′
)，其中，K1(d)、K1’
(d
′
)构成左桥臂，K2(d)、K2’
(d
′
)构成右桥臂，K1(d)、K1’
(d
′
) 互补工作，K2(d)、K2’
(d
′
)互补工作。GSCS模块内部还包括一个等效可变电容Ceq 和一个串联等效寄生电阻r
eq
；
[0006]所述等效可变电容Ceq的正端连接GSCS模块的1号端子、电流源i
12
的第一端、左桥臂有源开关K1(d)的第一端以及左桥臂互补开关K1’
(d
′
)的第一端；等效可变电容的负端连接电阻r
eq
的正端；所述串联等效寄生电阻r
eq
的负端分别连接2号端子、电流源i
12
的第二端、右桥臂有源开关K2(d)的第一端以及右桥臂互补开关K2’
(d
′
) 的第一端；所述左桥臂有源开关K1(d)的第二端连接GSCS模块的0号端子，左桥臂互补开关K1’
(d
′
)的第二端连接4号端子，右桥臂有源开关K2(d)第二端连接5号端子，右桥臂互补开关K2’
(d
′
)第二端连接3号端子。
[0007]所述通用开关电容建模模块工作模式分为A、B、C、D四种不同模式。如下表所示，模
式A情况下，0号、1号、2号、3号、4号、5号、6号连接外部线性电路，主开关管K1(d)、K2(d)开通时，等效可变电容Ceq分别连接电压源v0、 v5充电或放电；在主开关管K1(d)、K2(d)关断，互补开关K1’
(d
′
)、K2’
(d
′
)导通时，等效可变电容Ceq分别连接电压源v3，v4充电或放电；模式B情况下，3号或4 号端子置空，其余端子连接外部线性电路，主开关管K1(d)、K2(d)开通时，等效可变电容Ceq分别连接电压源v0，v5充电或放电，主开关管K1(d)、K2(d)关断，互补开关K1’
(d
′
)、K2’
(d
′
)导通时，等效可变电容Ceq分别连接电流源i1、i
12
充电或放电；模式C情况下，1号或5号端子置空，其余端子连接外部线性电路，等效可变电容Ceq在主开关管K1(d)、K2(d)开通时，分别连接电流源i2、i
12
充电或放电，主开关管K1(d)、K2(d)关断，互补开关K1’
(d
′
)、K2’
(d
′
)导通时，等效可变电容Ceq分别连接电压源v3，v4充电或放电，模式D情况下，0号、3号端子置空或4号、5号端子置空，其余端子连接外部线性电路，等效可变电容Ceq在主开关管K1(d)、K2(d)开通时，等效可变电容Ceq分别连接电流源i2、i
12
充电或放电、在主开关管K1(d)、K2(d)关断，互补开关K1’
(d
′
)、K2’
(d
′
)导通时，等效可变电容 Ceq分别连接电流源i1、i
12
充电或放电。
[0008][0009]V：电容Ceq连接电压源；
[0010]I：电容Ceq连接电流源；
[0011]K
1，2
_on：主开关管K1、K2开通；
[0012]K
′
1，2
_off：开关K1’
、K2’
关断；
[0013]K
1，2
_off：主开关管K1、K2关断；
[0014]K
′
1，2
_on：开关K1’
、K2’
开通.
[0015]所述通用开关电容建模模块的模型包括稳态模型、大信号模型、小信号模型。
[0016]一种基于通用非线性开关电容模块的开关变换器建模方法，步骤如下：
[0017]步骤1、将待建模的目标开关变换器用GSCS模块及外部线性电路表示，确定GSCS模块的工作模式；
[0018]步骤2、确定目标变换器等效GSCS模块外部线性网络的模型；
[0019]步骤3、确定GSCS模块的内部参数，包括等效可变电容的容值Ceq及其变比a；
[0020]步骤4、根据GSCS模块的工作模式，确定其大信号模型和稳态模型，代入 GSCS模块的稳态模型和外部线性网络的模型，得到目标变换器的稳态模型求解系统稳态解；
[0021]步骤5、根据GSCS模块的工作模式，确定其小信号模型，代入GSCS模块的小信号模型和外部线性网络的模型以及稳态解，得到目标变换器的小信号模型，求解传递函数。
[0022]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：本专利技术采用通用模块对开关电源拓扑中的非线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于开关电源的通用开关电容建模模块(GSCS)，其特征在于，模块共有6个端子，即0号端子、1号端子、2号端子、3号端子、4号端子和5号端子。上述端子连接外部线性电路，其中0号端子连接等效电压源v0，1号端子连接等效电流源i1，2号端子连接等效电流源i2，3号端子连接等效电压源v3，4号端子连接等效电压源v4，5号端子连接等效电压源v5。GSCS模块内部包含两对互补工作的开关支路分别是(K1(d))、(K1’
(d
′
))和(K2(d))、(K2’
(d
′
))；其中，(K1(d))、(K1’
(d
′
))构成左桥臂，(K2(d))、(K2’
(d
′
))构成右桥臂；(K1(d))、(K1’
(d
′
))互补工作，(K2(d))、(K2’
(d
′
))互补工作。GSCS模块内部还包括一个等效可变电容(Ceq)和一个串联等效寄生电阻(r
eq
)。所述等效可变电容(Ceq)的正端连接GSCS模块的1号端子、电流源i
12
的第一端、左桥臂有源开关(K1(d))的第一端以及左桥臂互补开关(K1’
(d
′
))的第一端；等效可变电容的负端连接电阻(r
eq
)的正端；所述串联等效寄生电阻(r
eq
)的负端分别连接2号端子、电流源i
12
的第二端、右桥臂有源开关(K2(d))的第一端以及右桥臂互补开关(K2’
(d
′
))的第一端；所述左桥臂有源开关(K1(d))的第二端连接GSCS模块的0号端子，左桥臂互补开关(K1’
(d
′
))的第二端连接4号端子，右桥臂有源开关(K2(d))第二端连接5号端子，右桥臂互补开关(K2’
(d
′
))第二端连接3号端子。所述通用开关电容建模模块工作模式分为A、B、C、D四种不同模式。如表一所示，模式A情况下，0号、1号、2号、3号、4号、5号、6号连接外部线性电路，主开关管K1(d)、K2(d)开通时，等效可变电容Ceq分别连接电压源v0、v5充电或放电；在主开关管K1(d)、K2(d)关断，互补开关K1’
(d
′
)、K2’
(d
′
)导通时，等效可变电容Ceq分别连接电压源v3，v4充电或放电；模式B情况下，3号或4号端子置空，其余端子连接外部线性电路，主开关管K1(d)、K2(d)开通时，等效可变电容Ceq分别连接电压源v0，v5充电或放电，主开关管K1(d)、K2(d)关断，互补开关K1’
(d
′
)、K2’
(d
′
)导通时，等效可变电容Ceq分别连接电流源i1、i
12
充电或放电；模式C情况下，1号或5号端子置空，其余端子连接外部线性电路，等效可变电容Ceq在主开关管K1(d)、K2(d)开通时，分别连接电流源i2、i
12
充电或放电，主开关管K1(d)、K2(d)关断，互补开关K1’
(d
′
)、K2’
(d
′
)导通时，等效可变电容Ceq分别连接电压源v3，v4充电或放电，模式D情况下，0号、3号端子置空或4号、5号端子置空，其余端子连接外部线性电路，等效可变电容Ceq在主开关管K1(d)、K2(d)开通时，等效可变电容Ceq分别连接电流源i2、i
12
充电或放电、在主开关管K1(d)、K2(d)关断，互补开关K1’
(d
′
)、K2’
(d
′
)导通时，等效可变电容Ceq分别连接电流源i1、i
12
充电或放电。V：电容Ceq连接电压源；I：电容Ceq连接电流源；K
1，2_on
：主开关管K1、K2开通；K
′
1，2
_off：开关K1’
、K2’
关断；K
1，2
_off：主开关管K1、K2关断；K
′
1，2
_on：开关K1’
、K2’
开通.所述通用开关电容建模模块的模型包括稳态模型、大信号模型、小信号模型。
2.根据权利要求1所述的通用开关电容建模模块，其特征在于，所述通用开关电容建模模块的稳态模型表达式如下：所述通用开关电容建...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚佳，郑威，颜建虎，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：