基于电容电流的变换器多脉冲序列控制技术研究

针对脉冲序列PT(pulse train)控制连续导电模式CCM(continuous conduction mode) Buck变换器存在的低频振荡问题,提出一种基于电容电流的变换器多脉冲序列CC-MPT(capacitor current multi-pulse train)控制技术。该控制技术检测每个开关周期起始时刻的电容电流值,当电容电流较小时,产生一个高能量脉冲,使电容电流增大到一定范围内,然后比较输出电压与参考电压,选择中、低能量脉冲,调节变换器输出电压。以Buck变换器为例,介绍了CC-MPT控制的工作原理、控制特性与抑制低频振荡机理,进行了时域仿真分析和相图分析,建立了开关映射模型并分析其动力学行为,并通过实验验证了该控制技术的可行性。相比于传统PT控制CCM变换器,CC-MPT控制可以消除低频振荡现象,具有更好的输出特性。     

基于变换器载侧电容电流的脉冲序列控制方法

针对脉冲序列(PT)控制DC/DC开关变换器工作在连续导电模式(CCM)时的低频振荡现象,提出了一种电容电流型PT(CC-PT)控制方法。该控制方法引入电容电流与输出电压共同作为选择高低功率脉冲的判断条件。详细分析了CC-PT控制工作原理,阐述了抑制低频振荡产生的机理,建立了其开关映射模型,给出了输出电压和电感电流随负载电阻变化时的分岔图,揭示了所提控制方法在不同负载的情况下对低频振荡抑制的有效性。仿真和实验均表明,CC-PT控制方法可以有效抑制低频振荡现象。     

谷值电流型脉冲序列控制反激变换器分析

工作于电感电流连续导电模式(CCM)的脉冲序列控制反激变换器存在的低频振荡现象,严重影响了脉冲序列控制开关变换器的稳态及瞬态性能。为消除该低频振荡现象,提出了开关变换器的谷值电流型脉冲序列控制技术。在一个开关周期内,谷值电流型脉冲序列控制开关变换器的励磁电感储能变化量为零,有效解决了脉冲序列控制CCM反激变换器的低频振荡问题。论文对谷值电流型脉冲序列控制CCM反激变换器的工作原理及控制策略进行了系统、深入的分析。研究了不同负载时控制脉冲循环周期内的脉冲组合方式和输出电压纹波。设计实现了谷值电流型脉冲序列控制器,仿真与实验结果验证了理论分析的正确性及控制器设计的可行性。     

开关DC-DC变换器电容电流脉冲序列控制

提出一种电容电流脉冲序列(CC-PT)控制技术。与传统脉冲序列(PT)控制技术不同,CC-PT控制技术通过采样电容电流与预设高、低基准电流比较,得到两组频率相同、占空比变化的高、低功率控制脉冲。以CC-PT控制Buck变换器为例,阐述了其工作原理,分析了其控制特性。理论分析与实验结果表明,CC-PT控制技术采用电容电流作为内环反馈,限制了电感电流纹波的变化范围,有效抑制了低频振荡,减小了变换器输出电压纹波。实验结果表明,CC-PT控制连续导电模式(CCM)开关变换器同样具有PT控制瞬态响应速度快的优点,且具有比PT优越的稳态特性。     

滞环电容电流脉冲序列控制开关DC/DC变换器

电容电流脉冲序列(CC-PT)控制技术能解决占空比小于0.5时输出电压的低频振荡问题,但当占空比大于0.5时,低频振荡问题难以克服。在CC-PT的基础上,提出一种滞环CC-PT(HCC-PT)控制技术。HCC-PT通过在控制环路中加入电容电流的谷值限流环,抑制了CC-PT控制开关变换器在占空比大于0.5时所产生的低频振荡现象。分析了CC-PT控制Buck变换器在占空比大于0.5时低频振荡的产生机理,阐述了HCC-PT控制Buck变换器的工作原理,分析了其工作特性。理论分析及实验结果表明,HCC-PT控制在继承了CC-PT控制瞬态响应快的优点的同时,解决了CC-PT控制Buck变换器在占空比大于0.5时的低频振荡问题,扩大了输入范围,提高了变换器的稳态性能。     

一种基于PT控制的改进型Boost变换器

提出一种改进型Boost变换器,有效抑制了基于脉冲序列(PT)控制的Boost变换器工作在电感电流连续模式(CCM)时出现的输出电压低频波动现象。分析了该变换器工作在一个开关周期内不同模态的等效电路及能够抑制低频波动现象的原因。仿真和实验结果表明改进型Boost变换器具有输出电压无低频波动的优点。     

固定导通时间半滞环脉冲序列控制Boost变换器研究

针对工作于电感电流连续导电模式的脉冲序列控制开关变换器存在的低频振荡问题,提出了开关变换器的固定导通时间半滞环脉冲序列控制技术,分析了固定导通时间半滞环脉冲序列控制连续导电模式Boost变换器的工作原理及其控制规律。研究结果表明,半滞环脉冲序列控制消除了脉冲序列控制连续导电模式Boost变换器存在的低频振荡现象。     

一种PT控制带耦合电感的升压型变换器

基于脉冲序列(PT)控制升压型变换器在电感电流连续模式(CCM)时,输出电压会产生不良的低频波动现象。在此提出一种带耦合电感的升压型变换器,能有效解决此问题。首先分析了所提变换器在一个开关周期内不同模态的等效电路,得出其抑制低频波动现象的原因。然后比较了不同类型升压变换器的优缺点。仿真和实验表明,所提变换器具有动态响应速度快、鲁棒性好、超调量小、低频波动小等优点。     

一种基于脉冲序列控制的改进型Buck变换器

通过对传统的基于脉冲序列(PT)控制的Buck变换器拓扑电路进行改进,有效地抑制了传统的PT控制Buck变换器工作在电感电流连续模式(CCM)时出现的输出电压低频波动现象。详细分析该改进型Buck变换器的工作模态,得出抑制低频波动的原因。最后通过仿真和实验结果表明,该改进型Buck变换器相比于传统Buck变换器具有抑制输出电压低频波动的优点。     

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。     

基于单周及浮充技术的单相高性能有源功率因数校正电路研究

针对双级有源功率因数校正(PFC)技术的改进措施加以分析和论述,阐述了该功率因数校正变流器存在的一些不足之处,研究了一类改进型双级有源功率因数校正开关变流器拓扑,优化改进的有源功率因数校正AC/DC变流器结合单周控制技术控制方法的原理,以及浮充技术.改进的单周控制有源PFC变流器具有结构简单、控制精度高、响应速度快,特别是具有控制性能对系统和电源参数变化不敏感等优点.文中还阐述了变流器的工作机理、控制方法及其试验分析.     

A fully soft switched high step-up SEPIC-boost DC-DC converter with one auxiliary switch

This paper proposed a new single-ended primary inductor converter (SEPIC)-boost DC-DC converter that uses only one auxiliary switch to create soft switching condition for all semiconductor devices. The auxiliary circuit comprises one power switch (S_a), one resonant inductor (L_r), one resonant capacitor (C_r), and one diode (D_o2). The auxiliary switch (S_a) controls the resonance during switching instants. The converter has simple structure and its control circuit remains pulse width modulation (PWM). Besides, the proposed converter has high voltage gain without using any transformer or coupled inductors. In addition, the auxiliary switch is not located in the main power path. Moreover, using soft switching techniques is the best way for reducing the size, weight, and volume of the converter. Furthermore, reduction of input inrush current and voltage stress for the main switch is obtained by using SEPIC-boost structure. A laboratory prototype converter is designed and implemented. The experimental results presented confirm the theoretical and features of the proposed converter.     

Loss analysis based on constant gate current for MOSFET selection of CCM boost converter

Predicting the power losses in a semiconductor is an essential design process to determine the converter's size. In the continuous conduction mode (CCM) boost converter, the power loss of MOSFETs can be divided into the loss not depending on the gate current (the conduction loss) and losses depending on the gate current (the switching losses) leading to I_DS transition period and V_DS transition period. Therefore, analysis of both conduction and switching losses based on constant gate current can realize the MOSFET selection to improve the efficiency of the CCM boost converter.     

高速发电机用宽电压范围双管Buck-Boost变换器暂态稳定分析与系统校正

高速永磁发电机宽速度范围运行时输出电压波动大,当发电机输出端接双管Buck-Boost变换器进行调压时,宽电压范围输入对变换器的稳定性和动态性能提出挑战。本文采用平均开关法建立了双管Buck-Boost变换器电感电流连续的非理想小信号模型,基于该模型分析了占空比、负载、输出滤波电容等效ESR、控制参数等对系统暂态稳定性能的影响,给出了提高系统暂态性能的控制参数设计方法。分析研究发现:占空比的变化导致系统的非最小相位反应明显,系统的动态响应变差;负载变化时系统的动态响应变化小;增大输出滤波电容等效ESR可以改善系统的动态性能。仿真和实验结果验证了暂态稳定分析和控制参数设计的合理性。     

High-voltage DC-DC converter for new-generation electric locomotives

Existing dc high-power locomotives at standard input voltages of 3 kV or 1.5 kV can be connected to high-voltage contact systems operated at a level of dc voltage that is n times higher via a novel n-cell capacitor, switching, bidirectional converter. Each cell voltage is defined by the locomotive power train DC input level, thus, the balancing of capacitor voltages is not required. PSIM-simulation has confirmed the positive properties of the scheme.     

二次型CCM Boost变换器能量传输模式

为了分析二次型CCM Boost变换器输出电压纹波特性,研究其能量传输模式.根据电感电流谷值与负载输出电流的关系,分析二次型CCM Boost变换器在开关管关断期间的能量传输模式,即完全电感供能模式(CISM)和不完全电感供能模式(IISM).分析在忽略输出电容等效串联电阻和存在输出电容等效串联电阻两种情况下,工作于CISM和IISM模式的二次型CCM Boost变换器的输出电压纹波特性,得出CISM与IISM模式的临界电感值和临界工作条件.分析结果表明,当二次型CCM Boost变换器工作于CISM模式,且忽略输出电容等效串联电阻时,输出电压纹波仅由开关管导通期间输出电容电压的下降幅度决定,与电感无关;而当存在输出电容等效串联电阻时,工作于CISM模式比IISM模式具有更小的输出电压纹波.实验结果验证了理论分析的正确性.     

Line-to-line Voltage Space Vector Modulation for Neutral-point Clamped Multi-level Converter with DC-link Capacitor Voltage Balancing Using Redundant Vectors

This article presents space vector modulation of line-to-line voltage for the three-phase neutral-point clamped n-level converter with DC-link capacitor voltage balancing using redundant vectors. The developed modulation strategy is based on an equivalent matrix structure of the neutral-point clamped n-level converter. The relation between the 3 × (n – 1) switching functions of the matrix converter and gate signals of transistors of the neutral-point clamped n-level converter is given. A line-to-line space vector modulation strategy for a matrix inverter is used to obtain the switching function. For one switching function, there is more than one combination to produce each output voltage. Thus, redundancies of different switch configurations for generation of intermediate voltages are used to limit the deviation of capacitor voltages. The gate signals of the neutral-point clamped n-level converter can be calculated by inversing the modeling parts. Here, line-to-line voltage space vector modulation for a neutral-point clamped n-level converter is designed without using a Parks transform. Moreover, n × (n – 1) redundant vectors are used for DC bus voltage balancing. To highlight the performances of the developed modulation strategy, simulation results are given for five- and seven-level neutral-point clamped converters. Experimental results are given for a neutral-point clamped three-level converter.     

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。     

一种差动型高增益DC-DC变换器分析与设计

针对传统DC-DC变换器电压增益低、开关管电压应力较高、输入电流和输出电压纹波较大等问题,提出一种由两个多电平升压变换器差动连接而成的DC-DC变换器。首先,详细分析了所提变换器的拓扑结构、工作状态以及电路参数设计。理论分析结果表明,在占空比为0.5时,该新型变换器输入电流和输出电压的纹波相互抵消,具有明显的纹波抑制功能。同时,当电容器以互补开关方式运行时,电容器纹波的减少降低了电容器的尺寸。此外,该新型变换器无需添加额外的开关管,驱动及控制电路设计简单。然后,对所提变换器与其他类似变换器在电压增益、元件器数量以及半导体器件的电压应力等方面进行了对比分析,进一步说明了所提变换器的优越性能。最后,通过仿真研究和样机实验验证了理论分析的正确性,以及所提拓扑结构在降低元器件电压应力、提高电压增益方面的有效性。