[发明专利]基于FPGA的高频开关功率变换器实时仿真方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的高频开关功率变换器实时仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、对高频开关功率变换器进行理论分析，构建用于建模仿真的状态空间方程；

步骤二、使用System Generator里的模块搭建高频开关变换器的求解结构模型，对高频开关变换器进行混合仿真；

步骤三、将高频开关变换器的求解结构模型转换成比特流并配置FPGA，进行高频开关变换器的实时仿真；

步骤一中所述对高频开关功率变换器进行理论分析，构建用于建模仿真的状态空间方程：

步骤101、开关器件建模；

步骤101中所述开关器件建模采用的建模方法为二值电阻法，用电阻模拟开关器件，并在电阻上并联旁路电容；

步骤102、采用状态空间法对高频开关变换器进行建模，得到高频开关变换器的状态空间方程；

步骤102中所述高频开关变换器为Boost变换器，所述Boost变换器包括晶体管T、二极管D、电感L_s、电容C_load和电阻R_load，所述电感L_s的一端与电源V_CC的正极输出端连接，所述电感L_s的另一端与晶体管T的漏极和二极管D的阳极连接，所述晶体管T的源极与电源V_CC的负极输出端连接，所述电容C_load和电阻R_load并联后的一端与二极管D的阴极连接，另一端与电源V_CC的负极输出端连接；步骤102中所述采用状态空间法对高频开关变换器进行建模，得到高频开关变换器的状态空间方程的具体过程为：

步骤1021、分析高频开关变换器的开关切换过程，具体过程为：

步骤10211、将电感L_s替换为恒流源I_s，将电容C_load和电阻R_load替换为恒定电压源V_load，将晶体管T替换为并联的电阻R_T和旁路电容C_T，将二极管D替换为并联的电阻R_D和旁路电容C_D；将漏电感L_leak与恒定电压源V_load串联；

步骤10212、分析晶体管T的关断过程：在关断过程开始时，晶体管T处于导通模式，二极管D被阻断，恒流源I_s产生的电流I_s在晶体管T的模型的电阻R_T部分循环；当晶体管T的栅极信号被设置为0时，关断过程开始，晶体管T的模型的电阻R_T部分瞬间跳变到高阻抗；不能停止的电流I_s通过旁路电容C_D和旁路电容C_T转向；二极管D的寄生电容两端的电压初始为V_load；二极管D与晶体管T交点处的电压V_A的电压斜率为：

旁路电容C_D放电，恒流源I_s对旁路电容C_T充电，当二极管D两端的电压大于或等于零时，二极管D的模型的电阻R_D稳定到低阻抗；电流I_s通过二极管D的模型的电阻R_D部分从旁路电容C_T逐渐转移到恒定电压源V_load，漏电感L_leak中的时变电流在晶体管T上产生电压尖峰，当电压尖峰达到最大值时，由旁路电容C_T、电阻R_D和漏电感L_leak形成的电路发生谐振，谐振频率ω_r为：

其中，t为时间；

步骤10213、分析晶体管T的导通过程：在导通过程开始时，二极管D处于导通状态，晶体管T截止；当晶体管T的栅极信号被设置为1时，导通过程开始，晶体管T的模型的电阻R_T部分瞬间跳变为低阻抗，快速放电旁路电容C_T；此时，二极管D和晶体管T都处于低阻抗状态，V_load变小，通过考虑漏电感L_leak，防止发生短暂的该状态，L_leak的当前斜率为：

在二极管D中循环的电流下降，逐渐将电流源转移到晶体管T，当I_Lleak达到I_s时，二极管D中的电流经过零并逐渐变为负值，该负电流在与二极管D相关的寄生电容两端产生负电压，并使二极管D处于高阻抗状态，此时，二极管D两端的电压仍然很低，漏电感中的电流继续增加，从而对二极管D充电；一旦二极管D两端的电压达到V_load，就会在二极管D的寄生电容和漏电感L_leak之间产生一个频率为ω′_r的谐振，在二极管D的寄生电容和漏电感L_leak之间出现的频率为：

该振荡被电路寄生电阻衰减，在阻尼振荡结束时，导通过程完成；

步骤1022、建立高频开关变换器的状态方程：

步骤10221、电压环原理分析：通过考虑电路中的每个表面存储磁通量来执行电压求和，从而导致漏感，在包含物理电感的环路中忽略漏电感，环路电压总和由下式给出：

其中，L为回路中的电感，t为时间，i_l为回路中的电流，V_dd为回路中的独立电压源，V_c为回路中的电容电压,r为回路中的损耗电阻；

步骤10222、电流环原理分析：考虑在高频开关变换器的电容器中流动的电流，每个电容器的电流由下式给出：

其中，C为回路中的电容，i_cc为回路中的独立电流源，G为回路中的电导；

步骤10223、根据电压环原理和电流环原理，建立高频开关变换器的的状态方程为：

将晶体管T、电感L_s和电源V_CC形成的回路定义为φ₁回路，将二极管D、电容C_load、电阻R_load和晶体管T形成的回路定义为φ₂回路，其中，L₁为φ₁回路的电感，L₂为φ₂回路的漏感，i₁为φ₁回路的电流，i₂为φ₂回路的电流，r₁为φ₁回路的损耗电阻，r₂为φ₂回路的损耗电阻，V_c1为晶体管T的模型中旁路电容C_T两端的电压，V_c2为二极管D的模型中旁路电容C_D两端的电压，V_dd为输入电压，V_c3为负载电阻R_load两端的电压，G₁为晶体管T的模型的电导，G₂为二极管D的模型的电导，V₁为晶体管T的模型中电导两端的电压，V₂为二极管D的模型中电导两端的电压；

将公式(F7)写为x＝Ax+Bu的形式为：

其中，u＝V_dd；

步骤103、对状态空间方程进行离散化，得到离散化后的状态空间方程。