电容电流模式Buck变换器的开环控制特性的动力学研究

电容电流反馈控制是一种新颖的控制技术,尚未有文献开展电容电流模式开关功率变换器的开环控制特性动力学研究。通过对三种开关状态的描述和不同开关状态内的时域求解,建立了电容电流模式Buck变换器的具有两条切换边界的二维精确离散时间模型。利用分岔图和最大Lyapunov指数谱等分析方法,揭示了负载电阻变化时电容电流模式Buck变换器的开环动力学行为。结果说明:在不同的负载电阻下,该变换器运行在正常的周期振荡、非正常的次谐波振荡即混沌等状态,尤其在部分负载电阻时,电容电流模式控制器失控,输出电压不能正常调节。此外,建立了PSIM电路仿真模型,并研制了相应的硬件电路。仿真和实验捕捉的时域波形和相轨图有效地验证了理论分析的正确性。     

恒定导通时间控制Buck变换器电感和负载电阻的稳定性机理

恒定导通时间(constant on-time,COT)控制Buck变换器的稳定性不仅受输出电容等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)的影响,还受电感和负载电阻的影响。为了研究电感和负载电阻的稳定性机理,建立了COT控制Buck变换器的分段线性模型。利用分岔图、特征根轨迹研究了输出电容ESR较小时COT控制Buck变换器随电感和负载电阻变化时的动力学特性。结果表明,随着电感减小或负载电阻增大,Buck变换器由阵发混沌状态经边界碰撞分岔进入到稳定的电感电流断续导电模式(discontinuous conduction mode,DCM)周期1状态。进一步,推导了确保变换器稳定工作的电感和负载电阻的临界表达式。最后,数值仿真和理论分析得到了实验结果的验证。研究结果可以有效地指导COT控制Buck变换器的电路参数设计。     

电流模式Boost变换器中非线性现象的研究

利用分段光滑开关模型,通过MATLAB中simulink搭建模型并采用龙格-库塔(Runge-Kutia)算法,得到了电流模式Boost变换器的时域波形图及相图;利用精确离散迭代数学模型,通过MATLAB中M文件编程,得到了电流模式Boost变换器的庞加莱映射图及分叉图。在电流模式Boost变换器中选择不同的参考电流数值,采用这两种模型对不同的参考电流值进行仿真,两种仿真模型的工作状态是相同的,分别证明了电流模式Boost变换器中具有丰富的分叉与混沌现象,也就是非线性现象。     

Buck变换器线性参数变化模型的增益调度控制

针对开关变换器的输出电压极易受到输入电压或者负载波动的影响,提出一种建立在Buck变换器线性参数变化(LPV)模型基础上的增益调度控制策略.首先,将Buck变换器的小信号模型转换成以负载电阻和输入电压作为变参数的LPV模型,基于LPV的凸分解方法,利用线性矩阵不等式(LMI)技术对凸多面体各顶点分别设计满足H∞和闭环极点配置的反馈控制器,再插值各顶点所设计的反馈控制器,综合得到具有多面体结构的LPV控制器.该方法在线计算量小,容易实现.最后,通过仿真验证了设计方法的有效性,与传统的鲁棒控制策略的控制器相比,所设计的LPV控制器受Buck变换器中输入电压和负载电阻波动影响较小,具有更好的控制性能.     

改进型本安Buck变换器的分析与设计

提出了一种输出具有LC滤波电路的本安Buck变换器,使得在特定的电气性能指标要求下,可不提高变换器工作频率,但能减小变换器内部的电感量及电容量,达到提升该变换器本质安全性能的目的。深入分析了该拓扑电路在电感电流连续模式(CCM)时的输出纹波电压,指出输出纹波电压最大值是在输入电压最大,负载电阻为CCM与DCM的临界电阻时取得。根据最大输出纹波电压指标要求,在给定的动态范围内,得出了本安Buck变换器电感、电容参数的设计方法。为了说明改进型Buck变换器相比于传统型Buck变换器的优势,在相同的输出纹波电压指标要求下,对传统型及改进型Buck变换器的电感、电容取值进行了比较分析,得出所提出的改进型Buck变换器采用较小的电感、电容即可满足电气性能指标要求,因而可提高其本安性能。因此,通过在Buck变换器的输出附加LC滤波电路,不仅能有效提高本安Buck变换器的输出功率,还能减小其体积。给出了设计实例,仿真与实验结果验证了改进电路拓扑理论分析的正确性及减小目标电感、电容量的可行性。     

零电流开关Buck变换器混沌现象的研究

鉴于软开关DC/DC变换器的应用越来越广泛,由于谐振元件的存在使得变换器的混沌现象变得复杂.本文以Buck ZCS PWM变换器为具体研究对象.借鉴采用模块化的思想,简化了电压反馈控制方式零电流开关 Buck变换器工作状态的分析,建立了变换器不连续导电模式下的系统离散混沌数学模型,为进一步的理论分析和模拟仿真打下基础.根据系统稳定性判据确定了稳定工作区域,得出主要元件参数的稳定工作范围,设计了电压反馈控制Buck变换器的仿真电路,仿真结果验证了理论分析的正确性.     

非接触电能传输系统双模控制式交直交变换器

针对传统非接触电能传输系统中初级回路主电路的不足,提出了一种可工作于Buck和Boost2种控制模式的新型交直交变换器,该变换器不仅有效地解决了传统非接触电能传输系统中大容量滤波电容和DC/DC调压环节所引起的电流冲击、成本高、控制复杂等问题,而且通过2种模式的切换和其对应的开关管占空比的调节可实现输入电压大范围波动时的谐振电流恒幅控制。分析了该变换器的拓扑结构和工作原理,阐述了变换器在2种模式下的切换控制策略,并给出了仿真验证结果。     

本质安全型Buck变换器的电感电流分析

分别对Buck变换器工作在连续导电模式(CCM)和不连续导电模式(DCM)时的电感峰值电流进行了分析,指出无论变换器工作在CCM还是DCM,其电感峰值电流均随输入电压的增大而增大,随负载电阻和电感的增大而减小。得出在给定输入电压和负载变化范围内,在最高输入电压和最小负载电阻时,且变换器工作在CCM下的最大峰值电感电流就是变换器在整个动态工作范围内的最大电感电流。最后仿真结果验证了理论分析的正确性。     

基于滑模控制技术的DC-DC Buck变换器研究

DC-DC Buck变换器运用滑模控制技术可加快控制系统瞬时动态响应速度,具有稳定性和收敛性.为实现滑模控制技术,通过对电感电流、滤波电容电压的信号进行估算,搭建一种新电路拓扑结构的状态观测器,解决传统观测器容错性和可靠性差的问题,并具有抗干扰能力强的特点,适用性广.经仿真与实验验证,当负载电阻出现干扰波动时,运用滑模控制技术的DC-DC Buck转换器具有快速收敛性.     

不连续电流型Buck-Boost变换器二参数分岔的数值研究

基于分段光滑映射方程，得到了输入电压E和负载电阻R同时变化时，不连续运行模式下电流型Buck—Boost变换器的二参数分岔动力学行为图，得到了发生分岔时映射雅可比矩阵特征值的跃变特征——以不连续的方式跳出复平面上的单位圆．结果表明，映射总有某个或某些轨道点位于相平面中不同区域的边界上，即映射随着输入电压和负载电阻的变化会发生边界碰撞分岔现象，如由周期态到周期态以及由周期态到混沌态的分岔．     

基于复合控制的无变压器并联混合型有源电力滤波器

无变压器并联混合型有源电力滤波器是一种新颖的有源滤波器拓扑结构.阐述系统主电路组成,给出无源部分的设计原则,提出将带有校正环节的复合控制和直流侧电容电压控制引入控制环路以获得指令电流的控制策略,继而通过三角载波控制实现实际输出电流对指令电流的跟踪.在Matlab环境下建立系统模型并进行仿真.仿真结果表明,应用该控制策略的滤波器可以有效地对负载谐波进行补偿,从而证明该控制策略的可行性.     

基于整流源的Buck变换器混沌现象研究

在供电电源为带谐波的整流源而非理想直流电源的情况下,研究了电流模式控制Buck变换器的分岔和混沌现象.首先给出Buck变换器在连续导通模式下的数学模型,然后对理想直流电源供电和3种模拟的含不同电压幅值谐波分量的整流源供电的情况,在改变电压平均值的情况下,通过计算机仿真得到不同的分岔和混沌现象,并进行比较分析,最后给出典型的含10%直流电压幅值谐波的纹波电压对应的电流和电压波形图,并进行比较分析.     

Buck-boost变换器的PWM滑模变结构控制方法

在Buck boost电路拓扑结构和工作原理分析的基础上,引入虚拟开关量构建Buck boost电路连续导电模式和断续导电模式的合并状态方程,在合并状态方程基础上采用等效控制法推导Buck boost变换器的PWM滑模变结构控制方程,将指数趋近率应用于控制方程,并将等效控制变量作为PWM控制的占空比,得到基于指数趋近率的PWM滑模变结构控制方法。仿真实验和实测验证结果表明:Buck boost变换器的PWM滑模变结构控制方法能使Buck boost变换器快速达到稳定状态,具有较好的动态特性和鲁棒性。     

高压谐振型DC-DC变换器的调压调频控制方案

为解决高压开关电源高频化过程遇到的变压器分布参数对性能影响的问题 ,采用谐振变换器技术方案 ,通过调整回路参数 ,使变换器工作在谐振状态 ,减少了系统的损耗。建立了包含 Buck变换器、谐振变换器、高压变压器和倍压整流器的直流高压开关电源系统仿真模型。通过仿真 ,分析了谐振变换器工作过程 ,研究了主回路电气参数对谐振变换器的影响。仿真说明谐振变换器工作在感性状态开关损耗较小。实验结果验证了仿真分析的正确性。     

可控电感在WPT 系统动态性能的优化方法

SS型Buck-WPT（Buck-wireless power transfer）系统由Buck电路和基本的SS型无线电能传输电路组成。该电路系统因为结构和控制方式简单、控制效果明显等优点在感应式无线电能传输方面得到广泛应用。但该电路的动态特性并不能满足一些时变系统对快速性的较高要求。例如,系统在启动时会存在较强震荡和较大超调,系统负载改变时稳定状态会发生改变且存在明显抖动,系统极限空载时原边谐振电流会增大,且该电流值远超出安全工作范围。本文提出了一种基于可控电感的SS型 Buck-WPT系统。首先,分析了电感值可调的方法并在COMSOL中建立仿真模型验证其电感值可控的特性。其次,对SS型Buck-WPT系统进行数学建模,将SS型WPT系统作为Buck电路的特殊负载,推导SS型Buck-WPT系统状态空间方程。研究其三维空间内相轨迹的降维描述方法,将该系统用二维相轨迹描述系统运行过程。然后,通过分析启动阶段相轨迹运行规律,改进前级Buck电路。将传统Buck电路中的电感换成可控电感,运用其电感值可调的控制系统开通阶段的运行轨迹,使系统在1个开关周期内无超调快速进入稳态。当系统负载改变时,系统的输出电压会改变,且是不断抖动来回反复的过程,利用PI算法对系统进行恒流控制。通过可控电感控制系统相轨迹,使副边输出能无抖动快速进入稳态,保证输出电压不变。针对SS型谐振网络的Buck-WPT系统中出现空载大电流的问题,提出了将可控电感串联接入原边谐振网络的方法。实时检测原边谐振电流值,该值超过正常工作范围,感值就快速增大,减小原边谐振电流,达到空载时维持原边谐振电流安全值以下。最后,验证上述方法在优化SS型Buck-WPT系统动态特性的有效性,在Simulink中搭建仿真电路。该方法能减小工作条件改变时带来的系统抖动,且在不改变系统响应速度前提下减小超调,优化系统动态性能,增强系统抗负载扰动力,提高系统带负载能力有明显效果。     

基于滑模控制的Buck-Boost型AC-DC变换器

提出了一种基于滑模控制的Buck Boost型AC DC变换器。相对于现行的双环结构控制方式 ,滑模控制没有增加控制电路的复杂性 ,而且能得到近似为 1的输入功率因数 ,电路效率高。同时分别提出了针对输出直流电压以及输入交流电流的控制策略。对输入电流采用滑模控制以获取高功率因素 ,对输出电压 ,因其动态响应相对较慢 ,采用PI控制器调节。最后给出了仿真及实验结果 ,表明该电路具有高效率、高功率因数及低谐波畸变等特性     

开关磁阻电机调速系统功率变换器的仿真与研究

给出开关磁阻电机双开关型、公共开关型和星点型三种功率变换器的拓扑结构,分析了功率变换器拓扑结构结构特点及其工作原理。采用Matlab-Simulink软件建立了功率变换器的仿真模型,在不同脉冲信号的触发下进行系统的仿真,给出了开关磁阻电动机起动时的电流和电压曲线,并对仿真结果进行分析和研究,进而阐明了开关磁阻电机功率变换器拓扑结构的发展方向和应用前景。     

考虑控制方式的MMC-HVDC系统单极接地故障电流计算方法

直流侧单极接地故障是基于模块化多电平换流器(modular mutilevel converter, MMC)的高压直流(high voltage direct current, HVDC)输电系统最常见的故障类型,一般以换流站闭锁前子模块电容放电电流近似故障电流,忽略了换流站控制环节的影响,结果存在误差。提出一种考虑换流站控制方式的故障电流计算方法,针对换流站主从控制,改进了基于微分方程的求解方法,在故障后的等效回路中使用并联受控电流源将换流站控制环节纳入考虑范围,分别对定功率控制与定电压控制方式下的故障电流进行计算。在PSCAD/EMTDC平台搭建了两端MMC-HVDC系统模型,验证了所提方法的准确性。     

基于 WSAR-ADC的降压型 DC-DC 控制器设计

设计了一种基于加窗逐次逼近寄存器（ WSAR）模拟数字转换器（ ADC）的降压型DC-DC控制器,这种WSAR-ADC适用于数字电源系统,通过对输入电压进行加窗处理,能有效地降低芯片的复杂度;并利用蚁群算法,对该DC-DC控制器的比例积分微分（PID）参数进行了整定,使得整个系统能够稳定工作。电路使用BCD（Bipolar/CMOS/DMOS）0．5μm工艺,输入电压3．3 V,输出电压1 V,设计最大负载电流2 A,纹波小于9 mV,开关频率500 kHz。经过验证,该降压型DC-DC控制器能满足数字电源的采样需求。