基于切换线性系统理论的DC-DC变换器控制系统的能控性和能达性

该文将电力电子电路视为一类混杂动态系统，尝试在DC-DC变换器控制系统研究中引入切换线性系统的概念和理论。将基本DC-DC变换器建立为切换线性模型，由此提出DC-DC变换器能控性和能达性等基本控制特性，为DC-DC变换器控制系统的优化控制和其它控制策略的实现提供理论依据。以Buck变换器控制系统设计为例进行仿真验证，分析了能控性和能达性研究的理论意义。该文的研究还表明，研究方法也适应于其它电力电子电路能控性和能达性的研究。     

驱动恒流负载的DC-DC变换器的能控性

考察DC-DC变换器驱动恒流负载时的能控性。用恒值电流沉表示恒流负载,则变换器可表示为双输入切换线性系统。①应用切换线性系统的判据,直接分析其能控性;②构建具有相同能控集的单输入切换系统,通过研究单输入系统间接地分析其能控性。证明了带恒流负载的DC-DC变换器在连续或断续导通模式下都是能控的,且可以在一个开关周期内实现。Boost型LED驱动电路的实验结果显示,当电源/负载阶跃扰动时,LED电流和输出电压都可以被控制在设计值。从而验证了能控性的分析结论。     

DC-DC变换器在DCM模式下的输出能控性研究

以BUCK变换器为例,首先引入了混杂系统的理论,基于其中的切换线性系统理论建立变换器的模型。其次,运用切换系统的研究成果,分析变换器系统的输出能控性并给出其充要条件。最后对BUCK变换器的输出能控性进行分析与验证。研究表明当变换器的参数满足输出能控性条件时,能获得稳定的输出,反之输出无法得到稳定控制。     

Boost功率因数校正变换器单周期控制适用性的理论分析和实验验证

当输入或者负载跳变时,单周期控制是功率变换器中一种新型的非线性控制策略,单周期就可实现控制目标.然而,单周期控制在功率变换器中的普适性并没有相关研究,限制了它的进一步发展和应用.该文以Boost变换器作为研究对象,引入切换线性系统的概念和理论,基于Boost变换器切换线性系统模型严格证明单周期控制在Boost变换器中的适用性,由此提供一种单周期控制在一般功率变换器中适用性分析方法.在理论研究的基础上,给出了单周期控制Boost变换器实现功率因数校正的一个实际范例.     

DC-DC变换器的最小投影法切换律

采用分段线性系统分析方法,DC-DC变换器的稳定性研究和控制器设计变得十分简单和有效。为此,该文建立DC-DC变换器的切换线性系统模型,引入切换线性系统投影法的概念,提出最小投影法切换律的控制策略。具体论述了DC-DC变换器实现无源控制与全局稳定性的切换律设计方法与步骤,并针对该切换律与平衡点相关的特点,在设计中进行平衡点的补偿以提高切换律的鲁棒性与收敛率。此外,为解决最小投影法切换律存在的滑模问题,还进行适合于DC-DC 变换器的延时切换器设计。仿真和实验结果表明该文提出的最小投影法切换律在实际DC-DC变换器中具有普遍适用性。     

严重受扰系统的能控性和能观性及失稳模式分析

基于稳定域理论,指出严重受扰系统的轨迹在临近失稳时运行在主导不稳定平衡点附近,因此可以用线性系统来近似描述严重受扰系统的局部动态。相应地分析线性化系统的模式能控性和能观性,并提出秩判据,以判别控制输入矩阵或观测输出矩阵对失稳模式是否能控或能观。采用特征分析,根据特征值、参与因子和模态揭示故障失稳模式,并根据模式能控性和能观性矩阵找出最灵敏的控制输入和观测信号的地点,以控制和检测失稳模式。以10机39节点新英格兰系统为算例,表明所提出的基于主导不稳定平衡点的线性分析方法实用有效,可为构建广域监视和控制系统奠定基础。     

基于切换线性系统的DC-DC变换器矩阵系数多项式描述模型

该文将DC-DC变换器视为一类典型的混杂动态系统,即切换线性系统,引入切换线性系统的一种新的数学建模方法——矩阵系数多项式插值建模法对基本的DC-DC变换器进行建模。建立了DC-DC变换器线性切换系统的连续部分与离散部分联系的显式描述形式,得到一个离散变量与连续变量直接相互作用的数学模型。该矩阵系数多项式模型从某种程度上更深入地揭示了DC-DC变换器切换线性系统的运行本质,并且对系统的性能分析产生一定的作用。稳态分析和瞬态闭环仿真的结果均验证了该新型模型的实用性。     

双向DC-DC变换器电路拓扑的分析与评价

归纳了双向DC-DC变换器的应用场合，说明在飞机高压直流电源系统中，双向DC-DC变换器除了充/放电器和应急电源的作用，还有HVDC母线电压过冲吸收和起动/发电系统变换器两个重要作用。以开关电源基本拓扑为主线，对双向DC-DC变换器作了分类。从双向DC-DC变换器的工作原理出发，除了已有文献提到的双向DC-DC变换器拓扑之外，推挽正激和正反激电路都是适用于隔离型Buck/Boost 双向DC-DC变换器和隔离型Buck/Buck 双向DC-DC变换器的拓扑；Sepic/Zeta也可用于双向变换。通过分析两种常用结构Buck/Boost和Buck/Buck的工作原理，说明了研究双向DC-DC变换器要研究的几个关键问题：⑴合理控制和设计实现软开关；⑵综合考虑输入输出滤波器，使滤波器和功率级阻抗匹配；⑶开关调节系统的校正和综合问题；⑷对隔离型Buck/Boost BDC，要研究自启动问题和电流型侧开关管尖峰问题；⑸对隔离型Buck/Buck双向DC-DC变换器，要研究移相控制方案下的主变压器绕制工艺问题。     

线性系统能控性和能观性的几何判据——核空间、象空间、不变子空间的基本概念

"线性系统的几何理论"是将线性系统的动态分析转化为状态空间中相应的几何问题。这种几何方法的特点是简洁明了,避免了状态空间中大量繁杂的矩阵推演计算。工科大学生对此会感到概念抽象,难于掌握,因而需要相应的数学基础。通过从核空间、象空间、不变子空间入手,给予它以概念的解释。在此基础上,论述了线性系统能控性和能观性的几何判据。目前,几何理论已广泛应用于系统分析与综合中。     

基于功率控制环扰动的DC-DC变换器能量信息一体化研究

针对实现DC-DC变换器之间的信息交互较为复杂的问题,提出了一种基于功率控制环扰动实现其能量信息一体化的方法。通过在DC-DC变换器的传统功率控制环中叠加二进制频移键控(binary frequency shift keying,2FSK)信号作为扰动,将数据信息叠加到传统脉冲宽度调制(pulse-width modulation,PWM)信号中,使得该PWM信号同时包含数据信息,实现能量信息一体化。首先,给出基于2FSK的功率/数据双载波调制以及实时的滑动离散傅里叶变换(sliding discrete Fourier transform,SDFT)解调方案。然后,通过对Buck变换器的能量信息一体化模型进行小信号建模与分析可知,降低输入阻抗可提升通信的信噪比。最后搭建一个由两个Buck变换器并联的实验装置进行验证。实验结果表明在稳态和负载突变的工况下均可实现3 kb/s的稳定通信,验证了所提方法的可行性。该方法使得DC-DC变换器能同时进行功率变换和数据传输,提升数字化和智能化水平。     

DC/DC变换器的切换仿射线性系统模型及控制

DC/DC变换器控制的主要难点之一在于它所特有的混杂特性。从切换线性系统理论及无源系统理论角度提出了DC/DC变换器建模和调节问题的新方法。首先建立基本DC/DC变换器Buck、Boost和Buck-Boost的切换仿射线性系统模型,然后根据凸组合稳定条件及无源性理论,选取电感和电容的储能函数为各切换子系统的共同Lyapunov函数,据此划分各子系统的运行区域,构造切换律保证系统在任意切换下的二次稳定,最后进行了仿真分析和验证。所提出方法不仅适用于开关变换电路的控制,亦适用于其他具有端口受控哈密顿结构的切换系统的控制。     

PWM BUCK变换器不同工作方式下的次谐波和混沌行为

该文建立了PWM Buck变换器2种工作模态的离散数学模型：利用稳定性判据确定了系统了系统不同工作模态下的稳定工作区域；分别对系统离散数学模型和系统状态方程进行了仿真研究，证实系统中次谐波和混沌行为，从而为进一步应用混沌理论探索DC－DC功率变换器的非线性运行规律打下了基础。     

双输入直流变换器的建模与闭环系统设计

在采用两个甚至多个输入源的新能源联合供电系统中,用单个多输入直流变换器(Multiple-Input Converter, MIC)代替原有的多个单输入直流变换器,可以简化电路结构,降低系统成本。采用MIC构成的新能源联合供电系统是一个典型的多输入-多输出耦合系统,因此,闭环系统的设计非常复杂,本文将以双输入Buck变换器为例,进行系统建模以及闭环调节器的设计,使得该系统稳态和动态性能达到要求。最后通过一个400W的实验样机验证该设计方法的有效性。此设计方法也可以应用于其它的双输入直流变换器构成的新能源联合供电系统中     

Robust fault detection and adaptive parameter identification for DC-DC converters via switched systems

In this paper, the problem of fault detection and identification for DC-DC converters is presented. First, switched systems model and fault model are analyzed based the switched characteristics of the DC-DC converters, taking the DC-DC buck converter as an example. According to the switched Lyapunov function technique, a fault detection observer and a bank of linear switched fault identification observers are designed for the switched systems. Next, the fault detection observer detects the fault based on the residual produced by the observer output and actual output. After the fault is detected, fault identification observers are activated. The location of fault is identified by comparing the residual evaluation functions. Meanwhile, the adaptive parameter identification is achieved by choosing an appropriate adaptive law. Finally, in order to show the feasibility of the fault detection and identification, the simulation results are given in this article.     

一类基本双频DC-DC变换器

从开关电感三端网络旋转得到基本DC-DC变换器出发,提出了双频开关电感三端网络和一类基本双频DC-DC变换器拓扑结构.该双频DC-DC变换器中包含高频开关单元和低频开关单元,其中低频单元主要承担处理功率的功能,高频单元主要用于提高系统性能.低频单元为高频开关分流,使高频部分可工作在很高的频率用于提高动态响应速度.并以双频Buck变换器为例,对其稳态和动态特性进行了分析,提出了改进措施来提高动态响应速度.理论分析和实验结果均验证了双频Buck变换器的输出性能与单个高频Buck变换器一致.     

开关DC-DC变换器双频率脉冲序列调制技术

提出一种新颖的开关DC-DC变换器调制方法:双频率脉冲序列调制(bi-frequency pulse train modulation,BF-PTM)方法。BF-PTM通过对两组频率不同、但导通时间相同的控制脉冲进行调制,实现开关变换器输出电压的调节。BF-PTM适用于各种开关变换器拓扑。以电感电流断续模式(discontinuous conduction mode,DCM)Buck变换器为例,分析BF-PTM开关变换器的工作原理及控制特性,并进行相应的仿真及实验研究。研究结果表明,BF-PTM控制开关变换器具有优于PWM开关变换器的瞬态响应和电磁干扰特性。