信息学院梁俊睿课题组提出开关型功率转换电路动态仿真新方法

ON2022-06-11文章来源 信息科学与技术学院CATEGORY新闻


开关型功率转换电路是典型的强非线性动态系统,精确求解这些电路的动态响应通常需要借助较复杂的数学模型。在构建生产实际电路前,工程师往往需要借助电子设计自动化(EDA)工具对所设计的电路进行动态仿真,并以此为参考优化输出功率、转换效率等工作指标。因此准确高效便捷的电路仿真工具对电路设计和参数优化至关重要。

信息学院智慧电气科学中心(CiPES)梁俊睿课题组围绕开关型功率转换电路的高效仿真和多目标优化等实际工程需求,对该课题组前期首创的扩展阻抗法(EIM)进行了新的改进,使之更具一般性地适用于具有非线性元件的电路的稳态仿真分析。以往针对非线性电路的传统时域或频域仿真算法皆从电路整体角度出发进行数学建模。不同于这些方法,梁俊睿组从元器件的角度出发,通过拓展“阻抗”这一针对交流电路元件动态特性的概念内涵和数学形式,更直观地以“阻抗组合网络”的形式构建非线性电路的数学模型,进而实现更高效省时的频域仿真。通过把“阻抗”概念再一次拓展并覆盖非线性元件的动态特性,该方法能够在频域对绝大部分开关型功率转换电路进行动态仿真。

扩展阻抗法具有诸多优势,它不仅能够涵盖开关电路中不同的电流连续(CCM)、断续(DCM)工作模式,而不像传统分析方法需要预判续流二极管的通断,还可兼容使用半导体器件仿真中广泛使用的SPICE模型参数,能够有效地描述组成电路不同元件的动态特性。相较诸如PSpiceADS等一些广泛使用的商用仿真软件,扩展阻抗法在相若的仿真精度下,用时更少,仿真效率更高,能够让用户更灵活高效地根据多目标、多约束的具体需求设计电路优化策略。

相关成果以“Simulation of Switched-Mode Power Conversion Circuits With Extended Impedance Method”为题,在电路与系统领域的国际学术期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems--I: Regular Papers上在线发表。信息学院2019级硕士生刘义超、2020级博士生高一鸣分列论文第一作者和第二作者,梁俊睿教授为通讯作者。上海科技大学为本研究的唯一完成单位。

文章链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9789185


扩展阻抗法的电路仿真流程图


在连续导通模式(CCM)下的buck电路稳态波形。(a)仿真中的输出电压。(b)仿真中的电感电流。(c)实验中的输出电压。(d)实验中的电感电流。


在不连续导通模式(DCM)条件下的buck电路稳态波形。(a)仿真中的输出电压。(b)仿真中的电感电流。(c)实验中的输出电压。(d)实验中的电感电流。