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1、 学号： 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2012届）题 目 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 校外指导老师 专业技术职务 二一二年六月II反激式变换器电路仿真建模与分析摘 要: 开关DC-DC变换器是一种典型的强非线性时变动力学系统，存在各种类型的次谐波、分岔与混沌等丰富的非线性现象。这些非线性现象严重影响开关DC-DC变换器的性能。因此，深入分析和研究开关DC-DC变换器的分岔和混沌等非线性动力学现象，对开关DC-DC变换器的设计、运行及控制都具有重要的指导意义。反激式变换器是一种隔离式开关变换器，该变换器利用变压器实现了输入与输出电气隔离。变压器具有变压的功能有利于
2、扩大变换器的输出设备应用范围，也便于实现不同电压的多路输出或相同电压的多种输出。运用变压器进行隔离使电源与负载两个直流系统之间是绝缘的，即使输出短路也不会影响外部电源。本文利用PSIM电路仿真软件进行电路仿真，给出峰值电流控制反激式变换器和电压反馈控制反激式变换器各电路参数变化时的时域波形和在输出电压-安匝和平面上的相轨图，并对输入电压和负载电阻两个参数进行分析，从而确定其稳定工作时的参数区域。本文对反激式变换器进行建模和PSIM电路仿真分析，了解到该变换器在不同电路参数时的运行情况，有效地估计出该变换器处于稳定工作状态时的电路参数范围，有助于制作实际反激式变换器电路参数的合理选取。关键词：反
3、激式变换器；安匝和；峰值电流控制；电压反馈控制；稳定性；PSIM；仿真 Simulation Modeling and Analysis of the fly back converter circuitAbstract: Switching DC-DC converters are a type of strong nonlinear and time-varying dynamical systems with all kinds of nonlinear phenomena, such as subharmonic, bifurcation, and chaos. These pheno
4、mena will seriously impact the work of the switching DC-DC converters. So, the deep analysis and study of these nonlinear dynamical phenomena have an important significance for design of switching DC-DC converter. Fly back converter is a special switching DC-DC converter, in which the transformer is
5、 employed to isolate the input from output. And the use of transformer in fly back converter is convenient to expand the output range and realize multi-output. In this paper, using the PSIM software, the simulation circuits of peak current mode(PCM) controlled fly back converter and voltage mode(VM)
6、 controlled fly back converter are built. Based on the simulation circuit and different circuit parameters, the operation of PCM controlled fly back converter is analysed and studied by time-domain waveforms and phase portraits in inductor current and total ampere-turns plane. Besides, the input vol
7、tage and load resistor are considered as two variables to depict the steady-state and unsteady-state region of the converter. The research results can help to choose reasonable circuit parameters in designing fly back converter circuit.Key works：Fly back converter; Total ampere-turns; Chaos; Peak cu
8、rrent mode control; Voltage mode control; Stability; PSIM; Simulation目 次摘 要I目 次III1 引言12 开关DC-DC变换器及其控制技术简介22.1 开关DC-DC变换器22.1.1 Buck变换器22.1.2 Boost变换器22.1.3 Buck-Boost变换器32.1.4 反激式变换器32.2 开关DC-DC变换器控制技术62.2.1 固定频率控制技术62.2.2 可变频率控制技术92.3 PSIM软件简介103 反激式变换器的建模与仿真分析113.1 PCM控制反激式变换器的PSIM建模113.2 PCM控制反
9、激式变换器的仿真分析123.3 VM控制反激式变换器的PSIM建模143.4 VM控制反激式变换器的仿真分析144 反激式变换器的稳定工作参数域仿真与分析164.1 利用输入电压和负载确定稳定工作参数域164.2 利用参考电流和负载确定稳定工作参数域204.3 利用参考电流和输入电压来确定作参数域245 结论27参 考 文 献28致 谢30II常州大学本科生毕业论文1 引言开关DC-DC变换器是一类典型的强非线性时变动力学系统，存在各种类型的次谐波、分岔和混沌等丰富的非线性现象1-15。非线性现象严重影响了开关DC-DC变换器的性能。因此，深入分析和研究开关DC-DC变换器的非线性动力学行为，
10、对开关DC-DC变换器的设计和工程应用具有重要的理论意义和实用价值。开关电源因其工作效率高、体积小和重量轻等特点，在工业生产中得到了广泛的应用。作为开关电源的核心部件，开关DC-DC变换器已成为国内外热点研究对象。开关DC-DC变换器由功率级和控制电路两部分组成。从功率级的拓扑结构来看，开关DC-DC变换器有三种基本类型：Buck变换器、Boost变换器和Buck-Boost变换器，分别实现变换器的降压、升压和升降压16。此外，还有一些特殊用途的开关DC-DC变换器，如反激式变换器3, 16, 17。在开关变换器的应用早期，人们通过开环控制来控制变换器的工作，但是这种控制方式存在一个明显的不足
11、：在开关变换器的输出电压发生较大变化时，开环控制无法及时准确地对输出电压做出相应的调整。而且，当控制脉冲的占空比大于50%时，开关变换器就无法正常工作。为了解决这些问题，人们提出了闭环控制及其控制方法。控制电路通过控制功率级开关器件的占空比来调节功率级的输出。按照占空比的实现方式，开关DC-DC变换器的控制方法可分为固定频率控制和可变频率控制。固定频率控制，即传统的脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)技术，主要有电压型控制3, 11-15, 20和电流型控制1, 2, 4-8, 20。可变频控制，包括恒定导通时间控制9, 10,、恒定关断时间控制18, 19和滞环
12、控制18, 19。PSIM软件是一款专门针对开关变换器和电动机驱动开发的仿真软件，具有搭建仿真电路简单，分析仿真波形方便的特点，是研究分析开关变换器的有效工具。反激式变换器常被用作AC-DC变换中的功率因素校正器16, 17，而反激式变换器工作在DC-DC方式下的研究较少，本文将利用PSIM仿真软件，分别搭建电流和电压反馈控制20反激式变换器工作在DC-DC方式下的仿真电路，通过电路仿真分析不同控制方式和不同电路参数对反激式变换器工作在DC-DC方式下的影响，并分析比较两种控制方法的特点，给出相应控制方法下反激式变换器稳定工作的参数域。2 开关DC-DC变换器及其控制技术简介2.1 开关DC-
13、DC变换器开关DC-DC(直流直流)变换器又称斩波器，其功能是将不稳定的直流电压变换成所需的各种稳定的直流电压。2.1.1 Buck变换器Buck变换器即降压变换器是最基本的开关DC-DC变换器，其电路拓扑如图2.1所示，它是由输入电源E、功率开关管S、跟随二极管D、电感L、电容C和负载电阻R组成的二阶功率变换器电路。图2.1 Buck变换器原理图 工作原理： Buck电路降压斩波器，其输出平均电压VO小于输入电压E，极性相同。当开关管S导通时，电感电流I1如图所示方向流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁场能量形式储存在电感线圈L。此时，对电容C充电，负载R上流过的电流为I2，R两端的输出电
14、压为V0，极性上正下负。由于开关管S导通，续流二极管D阳极接E负极，续流二极管D承受反方向电压，呈现高阻态。2.1.2 Boost变换器图2.2 Boost变换器原理图Boost变换器即升压变换器是一种基本的开关DC-DC变换器，其电路拓扑如图2.2所示，它是由输入电源E、功率开关管S、跟随二极管D、电感L、电容C和负载电阻R组成的二阶功率变换器电路。工作原理：Boost电路升压斩波器，其输出平均电压VO大于输入电压E，极性相同。且Boost变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器。如图2.2所示由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持电感电流不变。这样线圈L磁能转化成电感电压与电源Vs串联，以高于负载R两端电压向电容C、负载R供电。高于负载两端电压时，电容有充电电流；等于负载两端电压时，充电电流为零；负载电压下降时，电容向负载R放电，维持负载两端电压不变。2.1.3 Buck-Boost变换器图2.3 Buck-Boost变换器原理图Buck-Boost变换器即升压或降压变换器是一种基本的开关DC-DC变换器，其电路拓扑如图2.3所示，它是由输入电源E、
