[發(fā)明專利]基于FPGA的高頻開關功率變換器實時仿真方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910485700.7
• 申請日: 2019-06-05
• 公開（公告）號: CN110516276B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發(fā)明（設計）人: 鄭先成;魚亞軍
• 申請（專利權）人: 西北工業(yè)大學太倉長三角研究院
• 主分類號: G06F30/367
• 分類號: G06F30/367
• 代理公司: 西安啟誠專利知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 61240
• 代理人: 李艷春

1.一種基于FPGA的高頻開關功率變換器實時仿真方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、對高頻開關功率變換器進行理論分析，構建用于建模仿真的狀態(tài)空間方程；

步驟二、使用System Generator里的模塊搭建高頻開關變換器的求解結構模型，對高頻開關變換器進行混合仿真；

步驟三、將高頻開關變換器的求解結構模型轉換成比特流并配置FPGA，進行高頻開關變換器的實時仿真；

步驟一中所述對高頻開關功率變換器進行理論分析，構建用于建模仿真的狀態(tài)空間方程：

步驟101、開關器件建模；

步驟101中所述開關器件建模采用的建模方法為二值電阻法，用電阻模擬開關器件，并在電阻上并聯(lián)旁路電容；

步驟102、采用狀態(tài)空間法對高頻開關變換器進行建模，得到高頻開關變換器的狀態(tài)空間方程；

步驟102中所述高頻開關變換器為Boost變換器，所述Boost變換器包括晶體管T、二極管D、電感L_s、電容C_load和電阻R_load，所述電感L_s的一端與電源V_CC的正極輸出端連接，所述電感L_s的另一端與晶體管T的漏極和二極管D的陽極連接，所述晶體管T的源極與電源V_CC的負極輸出端連接，所述電容C_load和電阻R_load并聯(lián)后的一端與二極管D的陰極連接，另一端與電源V_CC的負極輸出端連接；步驟102中所述采用狀態(tài)空間法對高頻開關變換器進行建模，得到高頻開關變換器的狀態(tài)空間方程的具體過程為：

步驟1021、分析高頻開關變換器的開關切換過程，具體過程為：

步驟10211、將電感L_s替換為恒流源I_s，將電容C_load和電阻R_load替換為恒定電壓源V_load，將晶體管T替換為并聯(lián)的電阻R_T和旁路電容C_T，將二極管D替換為并聯(lián)的電阻R_D和旁路電容C_D；將漏電感L_leak與恒定電壓源V_load串聯(lián)；

步驟10212、分析晶體管T的關斷過程：在關斷過程開始時，晶體管T處于導通模式，二極管D被阻斷，恒流源I_s產(chǎn)生的電流I_s在晶體管T的模型的電阻R_T部分循環(huán)；當晶體管T的柵極信號被設置為0時，關斷過程開始，晶體管T的模型的電阻R_T部分瞬間跳變到高阻抗；不能停止的電流I_s通過旁路電容C_D和旁路電容C_T轉向；二極管D的寄生電容兩端的電壓初始為V_load；二極管D與晶體管T交點處的電壓V_A的電壓斜率為：

旁路電容C_D放電，恒流源I_s對旁路電容C_T充電，當二極管D兩端的電壓大于或等于零時，二極管D的模型的電阻R_D穩(wěn)定到低阻抗；電流I_s通過二極管D的模型的電阻R_D部分從旁路電容C_T逐漸轉移到恒定電壓源V_load，漏電感L_leak中的時變電流在晶體管T上產(chǎn)生電壓尖峰，當電壓尖峰達到最大值時，由旁路電容C_T、電阻R_D和漏電感L_leak形成的電路發(fā)生諧振，諧振頻率ω_r為：

其中，t為時間；

步驟10213、分析晶體管T的導通過程：在導通過程開始時，二極管D處于導通狀態(tài)，晶體管T截止；當晶體管T的柵極信號被設置為1時，導通過程開始，晶體管T的模型的電阻R_T部分瞬間跳變?yōu)榈妥杩梗焖俜烹娕月冯娙軨_T；此時，二極管D和晶體管T都處于低阻抗狀態(tài)，V_load變小，通過考慮漏電感L_leak，防止發(fā)生短暫的該狀態(tài)，L_leak的當前斜率為：

在二極管D中循環(huán)的電流下降，逐漸將電流源轉移到晶體管T，當I_Lleak達到I_s時，二極管D中的電流經(jīng)過零并逐漸變?yōu)樨撝担撠撾娏髟谂c二極管D相關的寄生電容兩端產(chǎn)生負電壓，并使二極管D處于高阻抗狀態(tài)，此時，二極管D兩端的電壓仍然很低，漏電感中的電流繼續(xù)增加，從而對二極管D充電；一旦二極管D兩端的電壓達到V_load，就會在二極管D的寄生電容和漏電感L_leak之間產(chǎn)生一個頻率為ω′_r的諧振，在二極管D的寄生電容和漏電感L_leak之間出現(xiàn)的頻率為：

該振蕩被電路寄生電阻衰減，在阻尼振蕩結束時，導通過程完成；

步驟1022、建立高頻開關變換器的狀態(tài)方程：

步驟10221、電壓環(huán)原理分析：通過考慮電路中的每個表面存儲磁通量來執(zhí)行電壓求和，從而導致漏感，在包含物理電感的環(huán)路中忽略漏電感，環(huán)路電壓總和由下式給出：

其中，L為回路中的電感，t為時間，i_l為回路中的電流，V_dd為回路中的獨立電壓源，V_c為回路中的電容電壓,r為回路中的損耗電阻；

步驟10222、電流環(huán)原理分析：考慮在高頻開關變換器的電容器中流動的電流，每個電容器的電流由下式給出：

其中，C為回路中的電容，i_cc為回路中的獨立電流源，G為回路中的電導；

步驟10223、根據(jù)電壓環(huán)原理和電流環(huán)原理，建立高頻開關變換器的的狀態(tài)方程為：

將晶體管T、電感L_s和電源V_CC形成的回路定義為φ₁回路，將二極管D、電容C_load、電阻R_load和晶體管T形成的回路定義為φ₂回路，其中，L₁為φ₁回路的電感，L₂為φ₂回路的漏感，i₁為φ₁回路的電流，i₂為φ₂回路的電流，r₁為φ₁回路的損耗電阻，r₂為φ₂回路的損耗電阻，V_c1為晶體管T的模型中旁路電容C_T兩端的電壓，V_c2為二極管D的模型中旁路電容C_D兩端的電壓，V_dd為輸入電壓，V_c3為負載電阻R_load兩端的電壓，G₁為晶體管T的模型的電導，G₂為二極管D的模型的電導，V₁為晶體管T的模型中電導兩端的電壓，V₂為二極管D的模型中電導兩端的電壓；

將公式(F7)寫為x＝Ax+Bu的形式為：

其中，u＝V_dd；

步驟103、對狀態(tài)空間方程進行離散化，得到離散化后的狀態(tài)空間方程。