开关变换器的建模与控制
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作者张卫平
出版社机械工业出版社
ISBN9787111637325
出版时间2020-01
装帧平装
开本16开
定价59元
货号28512708
上书时间2024-10-20
商品详情
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前言
前 言
开关变换器是一个带有闭环控制的高阶-离散-非线性-时变系统，不能直接应用经典控制理论分析和设计，这给开关调节系统的动态分析和设计带来了极大的困难。然而，开关变换器的建模与控制是研究开关变换器动态特性的基础，也是电力电子与电气传动方向研究生、电气工程及其自动化专业本科生以及从事开关电源研究与开发的工程技术人员的基础知识。自20世纪80年代以来，开关变换器的建模与控制一直是电力电子学研究领域的重要内容之一，并已取得了许多成果，在理论方面基本趋于完善，在模拟控制技术方面已经成熟。
开关变换器的建模与控制受到国内外普遍重视的原因是：①随着开关变换器的广泛应用，特别是开关变换器在信息产业中的应用，对其动态特性提出了新的要求；②随着高频功率开关器件的普遍使用，为改善开关变换器的动态特性提供了物质条件；③随着对开关变换器研究的深入，研究者为了充分发挥高频功率器件的性能，设计出能够满足市场要求的高性能电源产品，急需一种理论来指导其动态设计。近年来随着数字控制技术的发展和普及，以平均状态方程为基础的建模理论进一步表现出其局限性，因此编著一本适合研究生和本科生使用的相关教材是很有必要的。
虽然开关变换器有很多种拓扑结构和控制方式，但总的来讲，开关变换器可以分为两类，即PWM型变换器和谐振变换器，两种变换器存在着较大的差别，本书前几章主要研究PWM型变换器的建模与控制。继有源箝位变换器和全桥移相变换器后，LLC谐振变换器受到学者和工业界的普遍关注，LLC谐振变换器具有结构简单、效率高、效率曲线符合期望值要求、输入电压变化范围宽和便于功率集成等优点。不同于PWM控制，谐振变换器采用了变频控制。到目前为止，LLC谐振变换器功率电路的设计方法基本成熟，但是物理概念模糊，难以理解。本书试图利用数理方法，将物理概念与工程设计相结合，以便读者透彻理解，解决调试中出现的问题。谐振变换器的小信号工作过程类似于调频通信系统，比较复杂，所以始终没有一个令人满意的小信号模型和仿真电路。本书采用李泽元教授在LLC谐振变换器小信号建模方面取得的研究成果介绍相关的建模理论。
本书系统地论述了开关变换器建模与控制方面的基本原理、基本方法、基本仿真技术、实用设计方法等，主要内容包括三个部分：部分，开关变换器的建模；第二部分，开关调节系统的控制技术；第三部分，开关调节系统的仿真技术。开关变换器建模是研究控制技术的基础，仿真技术是分析、验证开关调节系统稳态和动态特性的重要手段。全书共分为10章。第1章连续导电模式下直流-直流变换器建模，主要介绍小信号模型的建模思路——基本建模法、状态空间平均法、开关器件与开关网络平均模型法等。第2章断续导电模式下直流-直流变换器建模，主要介绍状态空间平均法、开关器件平均模型法和开关网络平均模型法在DCM变换器中的应用。第3章开关调节系统的基础知识，主要介绍IEC有关开关调节系统瞬态响应的基本要求、瞬态分析、频域分析与设计以及频率特性的测量等基础知识。第4章电压控制型开关调节系统的设计，分别介绍常用的单极点型控制对象和双重极点型控制对象电压控制器的设计方法，并通过开关电源的设计实例介绍了隔离型和无隔离型这两种典型采样网络的设计方法。第5章平均电流控制型开关调节系统，主要介绍双环控制的开关调节系统分析方法，尤其是电流控制器的大信号设计以及等效功率级与电压控制器的设计。第6章峰值电流控制型开关调节系统的建模与设计，先介绍次谐波振荡产生的原因、消除技术以及斜坡补偿电路的设计方法与典型电路，然后介绍电流控制环的一阶模型、精确模型及其电压控制器的设计方法，后介绍三种基本电路的传递函数及其框图分析法。第7章开关调节系统的仿真技术，主要介绍采用通用电路分析软件（PSpice）研究PWM型开关调节系统的大信号及小信号动态响应的相关内容。第8章谐振变换器的建模，主要介绍谐振变换器建模的基础知识、扩展描述函数分析法及等效电路模型法。 第9章LLC谐振变换器的建模与设计，主要介绍LLC谐振变换器的基波分析法、功率级设计、小信号模型、闭环静态分析及反馈电路的设计方面的内容。第10章开关调节系统的Psim仿真技术，主要介绍基于小信号时域仿真的数值建模、控制器的智能设计和自动生成数字控制器的C代码等内容。
本书内容丰富、新颖，力图反映20世纪90年代以来国内外学术界、技术界、工程界在这个研究领域里取得的进展和主要研究成果。作为一本教材，编著者力图做到兼顾基础性、先进性、系统性和实用性。基础性：国内外的学者在开关变换器建模与控制方面做了大量卓有成效的研究工作，研究成果发表在国内外杂志、论文集或会议报告中。编著者通过学习、分类、归纳和研究，对现有的成果去粗取精，重点介绍具有典型代表意义的基础知识，使读者能够举一反三。系统性：由于没有现成的参考书，且现有成果较为分散，本书力图系统介绍已有的成果，并使之初步形成较为完整的理论体系。实用性：书中含有大量经过实际验证的设计实例、设计方法和设计程序。为了突出实用性，书中还介绍了若干实验技术和方法，以便研究者能用实验的方法验证其理论结果。先进性：本书力图反映在开关变换器建模与控制研究领域里取得的有实用价值的成果。
参加本书编写工作的人员有：张卫平教授（博士）、陈亚爱教授、张懋博士、关晓菡副教授、曹靖博士、张晓强副教授。其中，第1、2章由关晓菡副教授编写；第3、4章由陈亚爱教授编写；第5、6、7章由张卫平教授编写；第8章由曹靖博士编写；第9章及第10章的10.1、10.3节由张懋博士编写；第10章的10.2节由张晓强副教授编写。
美国POWERSIM软件中国总代理商新驱科技（北京）有限公司王江武和时晓东工程师等为本书的编写提供了大量资料和帮助。参加本书审阅的专家有：西安交通大学刘进军教授(审阅了第1、2章)，浙江大学何湘宁教授(审阅了第3、4章)，南京航空航天大学阮新波教授(审阅了第5、6章)，浙江大学吴兆麟教授(审阅了第7、8章)，LLC谐振变换器专家、台达电子企业管理（上海）有限公司研发中心主任章进法(审阅了第9章)及时晓东工程师(审阅了第10章)。在此对以上人员和关心本书的所有人员表示由衷的感谢！ 此外，北方工业大学绿色电源实验室的刘元超、程强，研究生陈云鹏、赵荀等同志也付出了辛勤的劳动，在此向他们致以衷心的感谢。
作者在编著本书时参考了很多文献，在此对文献的作者表示感谢。
由于电力电子技术的发展十分迅猛，在开关变换器建模与控制研究领域里已取得的许多很有使用价值的成果无法在一本书中将其全部囊括，因此，难免挂一漏万。由于编著者的水平有限，加之时间仓促，书中难免有不妥之处，甚至谬误，恳请前辈、同仁们及广大读者批评赐教。
编 者
2019年于北方工业大学
导语摘要
本书系统地论述了开关变换器建模与控制方面的基本原理、基本方法、基本仿真技术、实用设计方法等。主要内容有：连续导电模式下直流-直流变换器建模，断续导电模式下直流-直流变换器建模，开关调节系统的基础知识，电压控制型开关调节系统的设计，平均电流控制型开关调节系统，峰值电流控制型开关调节系统的建模与设计，开关调节系统的仿真技术，谐振变换器的建模，LLC谐振变换器的建模与设计，开关调节系统的Psim仿真技术等。
本书内容新颖、丰富、系统、实用。作者力图反映自20世纪90年代以来国内外学术界、技术界以及工程界在这个研究领域里取得的*新进展和主要研究成果。
本书可作为高等工科院校电气、自动化等相关专业高年级本科生、研究生的教材以及教学参考书，也适合于工程技术人员、研究人员在进行开关电源的工程设计和开发时使用及参考。
目录
目 录
序
前言
第1章 连续导电模式下直流-直流变换器建模1
1.1 直流-直流变换器控制系统概述1
1.2 直流-直流变换器小信号模型概述4
1.3 状态空间平均法14
1.4 开关器件与开关网络平均模型法30
1.5 非理想Flyback变换器的分析46
第2章 断续导电模式下直流-直流变换器建模55
2.1 状态空间平均法在DCM变换器中的应用55
2.2 开关器件平均模型法在DCM变换器中的应用71
2.3 开关网络平均模型法在DCM变换器中的应用76
第3章 开关调节系统的基础知识85
3.1 开关调节系统简介85
3.2 时域性能指标和频域性能指标89
3.3 开关变换器传递函数分析94
3.4 开关调节系统的瞬态分析100
3.5 典型开关调节系统的频域分析与设计106
3.6 开关调节系统频率特性的测量116
第4章 电压控制型开关调节系统的设计120
4.1 电压控制型开关调节系统中的基本问题120
4.2 电压控制型开关调节系统的设计127
4.3 单极点型控制对象的电压控制器137
4.4 双重极点型控制对象的电压控制器142
4.5 电压采样网络的设计150
4.6 开关电源的设计实例155
第5章 平均电流控制型开关调节系统163
5.1 双环控制的开关调节系统163
5.2 电流控制器的大信号设计168
5.3 等效功率级与电压控制器的设计175
5.4 双环系统控制Buck变换器的分析与研究182
第6章 峰值电流控制型开关调节系统的建模与设计186
6.1 次谐波振荡及其消除技术187
6.2 斜坡补偿电路的设计及其典型应用191
6.3 电流控制环的一阶模型196
6.4 基于一阶模型设计电压控制器201
6.5 电流控制环的精确模型208
6.6 三种基本变换器的传递函数及其框图分析法217
第7章 开关调节系统的仿真技术227
7.1 电路平均和平均开关模型227
7.2 开关变换器开环特性的仿真231
7.3 组合型CCM/DCM平均开关模型及PSpice建模234
7.4 组合型CCM/DCM模型的应用举例237
7.5 峰值电流控制器的PSpice建模及其仿真244
第8章 谐振变换器的建模250
8.1 谐振变换器建模的基础知识250
8.2 谐振变换器扩展描述函数分析法259
8.3 等效电路模型法273
第9章 LLC谐振变换器的建模与设计282
9.1 LLC谐振变换器的基础知识282
9.2 功率级设计288
9.3 LLC谐振变换器的小信号模型298
9.4 闭环LLC谐振变换器的静态分析302
9.5 LLC谐振变换器反馈电路设计306
第10章 开关调节系统的Psim仿真技术311
10.1 开关变换器数值建模311
10.2 控制器的智能设计318
10.3 自动形成数字控制器的C代码323
附录335
附录A 与频率法相关的基础知识335
附录B 几种传递函数近似处理方法343
参考文献349
内容摘要
本书系统地论述了开关变换器建模与控制方面的基本原理、基本方法、基本仿真技术、实用设计方法等。主要内容有：连续导电模式下直流-直流变换器建模，断续导电模式下直流-直流变换器建模，开关调节系统的基础知识，电压控制型开关调节系统的设计，平均电流控制型开关调节系统，峰值电流控制型开关调节系统的建模与设计，开关调节系统的仿真技术，谐振变换器的建模，LLC谐振变换器的建模与设计，开关调节系统的Psim仿真技术等。
本书内容新颖、丰富、系统、实用。作者力图反映自20世纪90年代以来国内外学术界、技术界以及工程界在这个研究领域里取得的*新进展和主要研究成果。
本书可作为高等工科院校电气、自动化等相关专业高年级本科生、研究生的教材以及教学参考书，也适合于工程技术人员、研究人员在进行开关电源的工程设计和开发时使用及参考。
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