由于DC/DC变换器的结构和参数随着不同的开关过程而变化,DC/DC变换器是非线性系统。其动态建模的核心解决思路之一是如何结合控制目标, 早期最具有影响力的数学建模理论工具是平均模型(Averaged model)[3], 该理论最早由GW Wester提出,这种方法通过对开关电源各支路电压、电流的不同开关工作过程下的状态进行平均,在给定工作点附近利用泰勒级数展开实现了DC/DC的线性化(切线法)[4]。以平均模型为基础,采用不同表述方法衍生出了不同的建模方法:例如标准型电路建模法(Canonical model)[5]、平均开关网络模型法(Averaged Switch modeling)[6]等。这几种建模法以平均模型理论为基础,主要采用等效电路对线性化后的电路模型进行表述。该方法优点是等效电路与原电路拓扑一致,但当电路原件增多,要得出平均后的拓扑需要大量运算。后来Middlebrook将自动控制领域的状态空间理论[7]与平均模型结合则得到了状态空间平均(State Space Averaging:SSA)[8]。状态空间平均法又分为:基本状态平均法[9]、扩展的状态平均法: (1)KBM近似法[10]:对于电力电子变换器建模的渐近方法(Krylov-Bogoliubov-Miltropolsky,KBM),其解可通过一小参量幂级数近似到任意准确度,该小参数与开关周期及系统的时间常数有关。41889
(2)改进的状态空间平均法:改进状态空间平均法的中心思想是将状态变量划分为快变量和慢变量,设法处理快变量,然后再对慢变量进行平均。
(3)广义状态空间平均法[11]:状态空间平均法在一些开关变换电路中的应用受到了挑战。由此提出了一种广义状态空间平均法,即系统状态变量的波形可由一组傅里叶级数展开形式进行表示,将其代入系统状态空间方程,可建立以傅里叶系数为状态变量的广义状态空间方程。论文网
广义状态平均法这种建模法给出了电路系统模型的多参量统一描述解决方案,利用矩阵可方便地对系统进行求解。其优点在于通用性,一旦获得了系统的状态空间矩阵,系统的小信号模型即可被表达,打破了电路系统通往数学领域的瓶颈,使得各种数学分析工具可以在开关电源分析上得以应用。在现代计算机技术的支持下,求解更为方便,得到了广泛关注。广义状态平均建模法的缺点在于系统的状态完全用矩阵表达,不容易联系其物理特性。当拓扑复杂时,状态空间矩阵的建立过程繁琐,难以化简,很难推广用于电源系统的建模。
相比于以上几种DC/DC小信号建模法,开关流图建模法可以通过流程图直观地表示出开关变换器小信号模型,小信号模型提供了每个变量之间解析与图解的频率响应关系。这使设计师较为容易地对小信号特性进行调整,从而得到一个满意的开关变换器设计。相比于其他的建模法,使用开关流图建模法能更简洁明了、直观地构建开关变换器模型。