高清PDF带书签《开关变换器的实用仿真与测试技术》电力电子新技术系列图书 高清晰可复制文字

前 言
电源是所有用电设备的动力来源。 电源的形式多种多样， 开关电源是其中的一种。 它以高效率、 高可靠性能、 小型化和轻型化的特点已成为各类电子设备所应用的主流电源。
开关变换器是开关电源的核心部分。 开关调节系统是一个带有闭环控制的强非线性时变系统， 不能直接应用经典控制理论进行分析和设计。 因此， 自 20世纪 80 年代以来， 开关变换器的建模、 控制、 仿真与实测技术一直是电力电子学研究领域的重要内容之一。 它也是电力电子与电气传动专业研究生及电类本科生必备的基础知识。 2003 年作者成功地参与了 “北京市高等教育精品教材建设项目” ——— 《开关变换器的建模与控制》， 作为该书的第二作者参与编著工作。 目前我校已连续四年将其作为研究生教材使用， 反映很好。 2008 年 6 月，《开关变换器的建模与控制》 一书再次印刷， 并被评为北京市精品教材。 但是，到目前为止， 尚未见到系统地介绍开关变换器仿真与实测技术方面的教材， 相关的文献介绍也不多见。 然而， 研究开关变换器的频率响应测试法， 尤其是研究确保系统稳定性的测试法对开关调节系统的设计和运行具有非常重要的意义。但是与开关变换器频率响应相关的研究论文大都集中在理论和建模方面， 很少涉及确保系统稳定性的测试方法方面。 因此， 编著一本适合研究生和本科高年级学生使用的侧重工程训练的相关教材， 同时又能满足从事开关电源设计的工程技术人员和研究人员需要的参考书， 是很有必要的。
开关变换器的仿真技术和实测技术是分析、 验证开关变换器稳态和动态特性的重要手段。 本书将主要采用 OrCAD/ PSpice 等仿真软件系统地介绍开关变换器的实用仿真技术和测试技术， 力图反映 20 世纪 90 年代以来国内外科技界、 工程界在这个研究领域里取得的最新进展和主要研究成果。 围绕这一目标， 本书的第 1 章介绍开关变换器的模型， 在介绍理想开关变换器模型的基础上， 着重介绍非理想开关变换器的模型， 为后续章节的仿真与实测技术的介绍打下基础；第 2 章介绍开关变换器的控制系统和控制技术； 第 3 章介绍目前常用的仿真软件以及使用方法； 第 4 章是关于开关变换器仿真模型及其应用的内容， 针对常见开关变换器， 建立相应的 PSpice 动态模型， 使用通用的仿真程序分析开关变换器开环、 闭环动态特性等； 第 5 章在介绍测量基础知识和相关测试设备的基础上， 重点介绍了开关变换器主要技术参数的测试方法。 本书采用国外的仿真软
件， 软件中的图形符号与文字符号不符合 IEC 与我国标准， 请读者注意。

在本书的构思和策划过程中， 北方工业大学机电工程学院、 机械工业出版社、 北方工业大学张卫平教授、 李正熙教授等单位和个人给予了大力支持和帮助。 在成书过程中， 北方工业大学绿色电源实验室、 北方工业大学北京市电力电子与电气传动工程研究中心提供了实验研究设备和场所， 在此工作的刘元超、陈振更、 周京华以及研究生李卫海等同志付出了辛勤的劳动。 另外， 本书是北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目 （PHR （ IHLB））㊀。 在此谨向上述单位和个人表示衷心的感谢。
由于编者水平有限， 加之时间仓促， 书中一定有疏漏和不妥之处， 敬请前辈、 同仁以及广大读者见谅并不吝赐教。 在本书的编写过程中， 作者参考的大量文献资料已在书后的参考文献中列出， 在此作者对参考文献的作者们致以衷
心的感谢。
作 者
2009 年 11 月 28 日于北方工业大学

内容索引：

序
前言
第 1 章 DC-DC 变换器模型 ……… 1
1. 1 概述 ……………………………… 1
1. 2 连续导电模式下 DC-DC 变换器模型 ……………………………… 2
1. 2. 1 大信号动态电路分析 ……… 2
1. 2. 2 DC-DC 变换器的交流模型 …………………………… 14
1. 3 连续导电模式下非理想变换器模型 …………………………… 28
1. 3. 1 大信号动态电路分析 ……… 28
1. 3. 2 大信号动态电路模型 ……… 30
1. 3. 3 直流等效电路 ……………… 33
1. 3. 4 交流小信号等效电路 ……… 34
1. 3. 5 交流小信号等效电路分析 …………………………… 35
1. 4 断续导电模式下 DC-DC 变换器模型 ……………………………… 41
1. 4. 1 用状态空间平均法为 DCM下变换器建模 ……………… 42
1. 4. 2 直流与交流小信号等效电路 …………………………… 47
1. 4. 3 交流小信号等效电路分析 …………………………… 49
1. 5 断续导电模式下非理想变换器模型 ……………………………… 51
1. 5. 1 大信号动态电路模型 ……… 52
1. 5. 2 连续导电模式与断续导电模式边界的确定 …………… 57
1. 5. 3 直流等效电路 ……………… 58
1. 5. 4 交流小信号等效电路 ……… 60
1. 5. 5 DCM 下的交流小信号等效电路分析 …………………… 61
1. 6 调制器模型 ……………………… 70
1. 7 小结 ……………………………… 71
第 2 章 开关变换器控制系统 74 ……
2. 1 开关变换器控制技术概述 74 ………
2. 1. 1 传统控制技术 ……………… 74
2. 1. 2 新型控制技术 ……………… 77
2. 1. 3 数字控制技术 ……………… 80
2. 1. 4 模拟控制和数字控制的优势与不足 ……………………… 82
2. 2 电压控制型开关调节系统 ……… 83
2. 2. 1 电压控制型开关调节系统的组成及基本工作原理 …… 83
2. 2. 2 电压控制器设计 …………… 84
2. 2. 3 电压控制型 Buck 变换器的分析与研究 ………………… 90
2. 2. 4 系统的动态和稳态分析模型 ………………………… 97
2. 2. 5 一个实际的电压控制型开关调节系统实验 …………… 98
2. 3 电流控制型开关调节系统 …… 100
2. 3. 1 平均电流控制型开关调节系统 ……………………… 102
2. 3. 2 峰值电流控制型开关调节系统 ……………………… 110
2. 3. 3 双环控制型开关调节系统的分析与研究 …………… 140
2. 3. 4 一个实际的双环控制型开关调节系统实验 ………… 145
2. 4 其他控制型开关调节系统 …… 147
2. 4. 1 概述 ……………………… 147
2. 4. 2 电荷控制 ………………… 147
2. 4. 3 单周期控制 ……………… 156

2. 5 小结 159 ……………………………
第 3 章 常用仿真软件简介 161 ………
3. 1 概述 …………………………… 161
3. 2 Mathcad 软件和使用简介……… 162
3. 3 MATLAB 软件简介 …………… 165
3. 4 Micro-Cap 软件简介 …………… 168
3. 5 OrCAD/ PSpice 软件简介 ……… 169
3. 6 Saber 软件简介 ………………… 171
3. 7 仿真软件的主要分析类型 …… 172
3. 7. 1 直流分析 ………………… 172
3. 7. 2 交流小信号分析 ………… 172
3. 7. 3 噪声分析 ………………… 172
3. 7. 4 瞬态分析 ………………… 173
3. 7. 5 灵敏度分析 ……………… 173
3. 7. 6 允许偏差 （容差） 分析 … 173
3. 7. 7 不同温度分析 …………… 173
3. 8 小结 173 ……………………………
第 4 章 开关变换器仿真模型及其应用……………………… 175
4. 1 连续导电模式下的平均开关仿真模型 ……………………… 175
4. 1. 1 平均开关模型 …………… 176
4. 1. 2 CCM 下平均模型在 OrCAD/ PSpice 中的建模 ………… 178
4. 2 组合型 CCM/ DCM 平均开关仿真模型 ………………………… 180
4. 2. 1 组合型 CCM/ DCM 平均开关模型 …………………… 180
4. 2. 2 组合型 CCM/ DCM 模型在 OrCAD/ PSpice 中的建模 ………………………… 185
4. 3 CPM 仿真模型 ………………… 186
4. 4 开关变换器开环特性的仿真 … 190
4. 4. 1 OrCAD/ PSpice 用户库的制作方法 ………………… 190
4. 4. 2 开环特性仿真 …………… 201
4. 5 开关调节系统性能的仿真 …… 207
4. 5. 1 电压控制型开关调节系统性能仿真 207 …………………
4. 5. 2 峰值电流控制型开关调节系统性能仿真 …………… 218
4. 6 仿真技术在开关调节系统设计中的应用举例 ………………… 224
4. 6. 1 电压型 Buck 电路控制器的复频域综合 ……………… 224
4. 6. 2 用根轨迹技术为 Buck 变换器设计数字控制器 ……… 229
4. 6. 3 仿真技术在开关调节系统设计中应用的其他实例 … 236
4. 7 小结 245 ……………………………
第 5 章 开关调节系统的测试技术 …………………………… 246
5. 1 测量的基本知识 ……………… 246
5. 1. 1 测量的定义和方法 ……… 246
5. 1. 2 测试技术 247 …………………
5. 2 常用开关调节系统测量仪器简介 …………………………… 248
5. 2. 1 Agilent4395A 网络/ 阻抗/ 频谱分析仪 ………………… 248
5. 2. 2 数字示波器 ……………… 249
5. 2. 3 LCR 测试仪 ……………… 249
5. 3 元器件参数测量 ……………… 250
5. 3. 1 电容元件参数测量 ……… 251
5. 3. 2 电感元件参数测量 ……… 253
5. 3. 3 场效应晶体管开通电阻测量 ……………………… 257
5. 3. 4 二极管参数测量 ………… 258
5. 4 开关变换器频率响应的测试方法 …………………………… 259
5. 4. 1 研究测试法的意义 ……… 259
5. 4. 2 测试设备和测试信号的注入方法 …………………… 260
5. 4. 3 开关调节系统环路增益的测试 ……………………… 261
5. 4. 4 变换器输出阻抗的测试 … 269
5. 5 小结 …………………………… 270

附录 …………………………………… 272
附录 A OrCAD/ PSpice 10. 0 安装 …………………………… 272
附录 B Agilent4395A 分析仪功率源的数值与相应电压关系 …… 282
附录 C 用 Agilent4395A 分析仪扩频测量铝电解电容器频率特性的方法 ……………………… 284
附录 D Agilent4395A 分析仪的操作 …………………………… 290
参考文献 ……………………………… 30

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