DC-DC开关变换器的动力学模型及其分析方法研究

DC-DC变换器是开关电源的核心部分,有着极其丰富的动力学行为。要揭示和研究变换器的各种线性、非线性动力学行为,关键问题是采用适当的方法对其建立相应的动力学模型。本文针对两种常见的开关变换器系统（电压模式控制和电流模式控制变换器）,分别讨论了其中的建模方法,包括精确仿真模型和离散映射构造方法,同时提供了相关分析和实验结果.研究方法和过程同样适合其它电压模式控制或电流模式控制的变换器系统。     

数字控制DC-DC变换器改进离散迭代建模和稳定性分析

离散迭代模型是一种能精确描述数字控制变换器特性的工具,然而传统的离散模型通常计算复杂而且不够直观,不利于控制器的设计。该文对离散迭代模型进行合理近似,推导出数字控制DC-DC变换器在前沿和后沿调制下的二阶全局等效电路模型,解决了传统模型直观性和精确性之间的矛盾。该模型可以反映具有不同脉冲宽度调制方法的DC-DC变换器的稳态和动态行为。在等效电路的基础上,分析了数字控制的特性,推导出了z域传递函数,从而得到了不同调制方式下控制-输出的频率响应,并且分析了两种调制方式对系统稳定性的影响。此外,等效电路模型可以准确地跟踪详细开关电路的工作波形,并且对系统参数变化时系统的稳定边界做出精确预测。最后,搭建了DC-DC变换器的样机,验证了模型和理论分析的有效性。     

基于群特性分析的DC-DC变换器级联系统稳定性判据

电力电子变换器级联的稳定性分析是一个尚未解决的问题,线性电路的阻抗匹配规律不适合开关电路级联系统的分析和研究。为此,论文尝试将研究对称性的基本理论——群论引入到DC-DC变换器级联系统的分析中,试图根据DC-DC变换器级联系统的物理结构,定义基本DC-DC变换器级联系统的群集合,探讨它们的群特性,揭示群特性与级联特性之间的联系及物理意义,由此初步提出一个基于群特性分析的DC-DC变换器级联系统的稳定性判据,为解决DC-DC变换器级联的问题提供一个新的数学工具。     

并网变换器直流电压控制的阻抗稳定性分析

针对并网变换器直流电压控制引起的稳定性问题,开展了基于阻抗的稳定性分析,推导了阻抗模型用于建立变换器直流电压控制和交流电流控制之间的相互关系,从而能够确定变换器在整流和逆变工作模式下直流电压控制对系统稳定性的影响.将阻抗模型从d,q坐标系转换到α,β坐标系后可表征直流电压控制动态的频率耦合效应.基于阻抗的稳定性分析结果...     

数字控制DC-DC变换器的延时离散模型及影响分析

为分析数字控制 DC-DC 变换器延时对系统性能的量化影响,详细概括和总结不同延时情况,并对其进行重新归纳和对比分析.在 DC-DC 变换器状态空间模型的基础上,建立包含延时在内的数字控制 DC-DC 变换器的小信号离散模型,并对各种延时情况的离散模型进行分析.以Buck 变换器为例,采用常用的PI补偿器,在系统相位裕度相同时,分析补偿器有解且系统性能最优的情况,得到不同延时情况下系统带宽下降为没有延迟时的30%～80%的结论.实验结果证明所得结论的正确性.建立的数字控制DC-DC变换器延时离散模型和延时影响的量化分析结论,为数字控制延时问题研究以及延时补偿问题分析提供理论依据.     

电流跟踪数字控制的Buck DC-DC变换器

为了改善Buck DC-DC变换器的性能,提出了一种基于微处理器的电流跟踪数字控制方法,根据输出电流和输出电压的采样信息,计算出所需要的输出电流,并将电感电流控制在该输出电流的一个滞环宽度之内。详细分析了负载突变和启动过程中输出电压的动态响应,给出了参数选择和设计考虑。以一个电流跟踪控制的Buck DC-DC变换器为例说明了所提出的方法并进行了实验研究,实验结果表明了电流跟踪控制的可行性和理论分析的正确性。     

DC-DC变换器分数阶PIλ 控制与稳定性分析研究

分数阶PI~λD~μ控制是整数阶PID控制的推广和发展,具有比整数阶PID控制更大的灵活性。然而引入λ和μ后,会对系统的控制性能和稳定范围产生影响。本文以Buck变换器为例,从机理上阐述了分数阶PI~λ控制与传统整数阶PI控制对系统控制性能的影响,分析了分数阶PI~λ控制器中积分阶次λ对Buck变换器稳态性能、动态性能以及对K_p,K_i参数稳定范围的影响。最后通过仿真和实验验证了本文理论分析的正确性。     

热电领域中DC-DC变换器的综述

利用塞贝克效应制成的热电发电器(TEG),其输出电压较小,不能直接用于现有用电设备或者并网,必须通过DC/DC变换器的转化,才能满足相应的需求。到目前为止已经出现了适合应用于热电发电系统中的多种DC-DC变换器,并且实现了相应的功能。分别详细介绍了单级Boost变换器、电荷泵、交错并联Boost变换器、三相交错并联Boost-buck变换器、Buck-boost变换器、Cuk-cuk-cuk多输入变换器、Sepic-sepic多输入变换器、四相零电流开关多模块开关电容变换器的工作模式、工作状态,并比较了各自的优缺点。     

大功率DC-DC变换器的设计

针对DC-DC变换器应用于大功率输出储能系统的场景,提出应用基于降压-升压电路的多级交错并联拓扑结构.针对多台DC-DC变换器并联运行的场景,提出应用下垂控制技术.在此基础上,设计了大功率DC-DC变换器.通过测试验证,所设计的大功率DC-DC变换器满足大功率输出的要求.     

附加电感电流线性反馈控制的级联DC-DC变换器稳定性提升方法

源变换器和负载变换器的相互作用会导致级联DC-DC变换器的不稳定问题,因此,提升级联系统的稳定性很有必要。针对上述问题,将特征值灵敏度应用到级联DC-DC变换器的时域模型中,无需计算源变换器输出阻抗和负载变换器输入阻抗,从时域角度提出了附加电感电流线性反馈控制的级联DC-DC变换器稳定性提高控制方法。同时,基于时域模型直观分析了新引入的控制变量对系统稳定性的影响。最后,通过仿真和实验验证了所提控制方法的有效性。     

双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器及其功率回流特性分析

为了减小双向全桥DC-DC变换器的功率环流,分析传统移相控制中存在的功率回流现象,并分析回流功率对提高功率环流和电流应力所起的作用。在此基础上,提出一种双重移相控制方法。相比传统移相控制,该方法不仅具有更小的功率环流和电流应力,同时扩大了传输功率的调节范围,增强了功率调节的灵活性。详细介绍和分析双重移相控制的工作原理,给出变换器的工作模态分析,建立传输功率及回流功率的数学模型,并对比双重移相控制和传统移相控制的控制性能。最后,通过实验结果验证了双重移相控制的优越性。     

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。     

分布式供电系统中负载变换器的输入阻抗分析

直流分布式供电系统由多个子系统组合而成,子系统之间的相互作用容易导致系统稳定程度和动态性能降低,甚至于不稳定。通常,恒功率负载具有的负阻抗输入特性是导致级联系统不稳定的主要原因。该文针对直流变换器在恒功率负载的情况下,以分布式供电系统中负载变换器的输入阻抗作为标准化研究的对象。该文以分布式供电系统中常见的同步整流Buck变换器为例,详细分析了变换器的输入阻抗随功率等级、开关频率和控制方式变化时的规律。并进一步通过实验验证了理论分析的正确性。实验结果为将来制定出Buck类DC-DC模块的输入阻抗的标准打下基础。     

电压型级联系统中减小源变换器输出阻抗的有源阻尼控制方法

在级联系统中,源变换器和负载变换器之间阻抗的相互作用可能会影响系统的稳定性。许多文献分析了不同控制方法、电路参数等因素对变换器阻抗特性的影响,并针对优化变换器的阻抗设计提出了多种无源阻尼或者控制的方法,从而提高变换器的稳定裕度,以保证变换器构成的级联系统维持稳定。本文基于变换器的小信号模型,提出了一种实现虚拟电阻的有源阻尼控制方法,以降低变换器的输出阻抗,优化其阻尼特性。该方法通过采样变换器输出电压中的交流分量,经过有源阻尼控制器作用后叠加至调制波以产生控制信号,从而实现在变换器小信号模型的输出端连接虚拟电阻的效果,达到降低输出阻抗的目的。由于虚拟电阻仅存在于小信号模型中,所以变换器的稳态工作点不受影响。通过仿真和实验验证了该方法的正确性。     

并联电流模式Boost变换器分叉序列分析与研究

本文研究了并联电流模式控制的Boost变换器分叉序列.首先,对基于电流模式控制的Boost变换器的状态方程,利用龙格一库塔(Runge-Kutta)算法进行仿真,取每个时钟脉冲时刻的电路状态变量构成庞加莱截面,画出在参考电流变化方向上的分叉图.然后,利用离散映射迭代法推导出并联电流模式控制的Boost变换器分叉序列中各分叉点的值.最后,通过理论推导出的值与仿真结果的对比,发现二者比较吻合,从而给出变换器稳定设计的理论依据.     

DC—DC变换器中非线性现象研究的发展综述

DC-DC变换器电路有丰富的非线性特性,它们运行的一大特点是几个电路拓扑之间的循环切换,这就会产生各种不同的非线性特性。本文回顾了在DC-DC变换器电路观察到的混沌特性和分叉现象,列举了这方面相关的重要文献,着重说明电路运行的主要特件和建模方法。指出了从非线性动力学的角度去研究分叉与混沌行为是今后DC-DC变换器电路分析方法的一个发展方向。     

航空用低压大电流功率变换器稳定性分析

本文对航空用低压大电流功率变换器系统稳定性进行分析,该变换器采用电流型PWM控制器UC3843,使用电流模式控制的DC-DC变换器,斜坡补偿电路是保证这种控制模式稳定工作的关键所在。本文从理论上对斜坡补偿的作用进行分析,并采用Saber软件对电流模式控制的变换器进行了仿真,通过仿真分析得到斜坡补偿和系统稳定性的关系。     

基于改进离散法的含输入滤波器电流型Buck变换器稳定性分析

基于系统精确的状态方程,数值仿真研究了含输入滤波器电流型Buck变换器的稳定性问题.结果表明,输入滤波器参数Rf增大会引起系统慢时标意义下的低频振荡,Buck变换器控制参数k的增大则会引起系统快时标意义下的次谐波振荡.提出了一种改进离散法,建立了系数矩阵不可逆时系统的离散映射模型,并结合仿真结果对系统的稳定性进行了分析,给出了系统的稳定性边界.最后,还将本文结果与现有输入滤波器设计标准进行比较,指出了标准不足之处.     

基于简化统一模型的DC-DC开关变换器数字优化控制策略

在DC-DC开关变换器大信号运行过程中,变换器的运行模式并不是唯一的。为得到适用于电感电流连续导通模式(CCM)和不连续导通模式(DCM)下DC-DC开关变换器易于实现的数字控制策略,提出了一种基于变换器简化统一离散模型的数字优化控制策略。通过将基于两种运行模式的统一离散模型系数矩阵中的幂指数函数进行线性化处理,得到变换器简化的统一离散模型;基于简化模型的电压电流特性,设计优化目标函数;根据模型的递推状态,最小化目标函数进行优化控制决策;由模型根据递推状态和优化控制进行模型运行模式决策,模型的输出为实际系统提供优化轨迹;根据实际变换器系统与模型输出的偏差来修正优化控制,以补偿实际系统中因寄生参数引起的控制偏差。以Boost变换器为例,建立了变换器的简化统一离散模型,求取了优化控制量,采用数字PI控制器调节控制修正量。仿真和实验结果验证了控制策略能在启动过程中实现对变换器输出电压的快速、无过冲控制,及各种扰动工作条件下对变换器输出电压准确、快速的控制。