四开关升降压变换器高效控制策略研究与设计

四开关升降压(four-switch Buck-Boost,FSBB)变换器凭借其出色的软开关特性、宽范围调压能力、输入输出电压极性相同等优势被应用在数据中心供电架构中。然而,FSBB变换器软开关控制方式的多控制自由度特性,使得其控制策略复杂多变、增加了效率优化的难度。针对以上问题,研究并设计一种多模式高效控制策略,以提高FSBB变换器在全负载范围内的转换效率。首先,在FSBB变换器零电压开通(zero voltage switch,ZVS)的基础上得到控制量的约束条件,并确定电感电流有效值最低时控制量的取值规则;然后,构建FSBB变换器完整的损耗模型,以总损耗最低为目标,提出一种多模式的高效控制策略,并通过数据拟合的方式进行控制量的设计;最后,在Simplis中仿真验证并制作一个300 W的实验样机。测试结果表明:所设计的实验样机能在全输入、输出电压范围和全负载范围内实现较高的转换效率。其中最高峰值效率达到98.5%、最高平均效率达到97.93%,开关频率范围为500 kHz~1 MHz。

基于四开关升降压变换器的三模式设计

四开关升降压(four-switch buck-boost,FSBB)变换器具有宽范围电压输入的优势。由于开关频率高,变换器工作在降压(Buck)模式或者升压(Boost)模式下效率最高,但是在输入电压改变时,两种模式之间的切换会产生转换盲区。文中采用脉宽调制(pulse width modulation,PWM)技术,对传统的两模式控制方法加以改进,设计加入了第三种升降压(Buck-Boost)模式进行平滑过渡。实验结果表明,瞬时改变输入电压时,输出电压波形波动小,证明新的控制方法有效地解决了转换盲区问题,保证了输出电压的稳定。

基于滑模控制的DC-DC降压变换器实验平台

为了实现DC-DC降压变换器的高精度控制,设计了一种基于滑模控制的输出电压调节器。首先根据DC-DC降压变换器的工作原理建立了系统的动态模型;接着利用转换后的受扰动态模型设计了滑模控制器,同时基于李雅普诺夫函数证明了闭环系统的稳定性;最后使用Matlab/Simulink软件和DC-DC降压变换器硬件电路搭建了实验测试平台。测试结果表明与传统的PID控制方法相比,DC-DC降压变换器系统在所设计的滑模控制器的作用下可以获得更快的动态性能与更强的扰动抑制能力。该实验平台不仅有利于大学生理解和掌握滑模控制理论,还可以提高大学生的工程应用能力。

一种非隔离双向三端口升降压变换器

提出一种非隔离双向三端口升降压变换器拓扑及其功率控制策略。该变换器由3个双向Buck/Boost开关单元不通过直流母线电容级联组合而成;相对于传统多个变换器通过公共直流母线连接的解决方案,该变换器完全消除了中间母线电容,可减小变换器体积、重量和成本,提高系统可靠性,且任意两个端口之间均为单级升降压变换,大大提高了变换器的变换效率和功率密度。详细分析变换器的工作原理,给出相应的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)和功率控制策略,最后通过实验验证理论分析的正确性。

适用于温差发电的高效率耦合电感升降压变换器

针对温差电池输出电压变化范围宽、输出电流大且要求电流纹波小的需求,提出了一种高效率耦合电感升降压变换器,该变换器由Boost单元和Buck单元级联组合、并将两单元滤波电感反向耦合构成。变换器输入输出电感反向耦合,使得磁心直流磁通相互抵消,大大减小了滤波器磁心体积和损耗,提高了变换器的效率和功率密度,同时输入、输出电流连续,减小了滤波电容的容量。文中详细分析了所提出的耦合电感升降压变换器的工作原理,深入研究了电感耦合系数对变换器的影响并给出了耦合电感设计准则,采用载波交叠的PWM调制策略以及共用调节器的恒压/恒流控制策略,实现了变换器在恒压和恒流模式之间的无缝平滑切换。搭建了一台500W的实验样机,验证了理论分析的正确性和可行性。

基于开关电容与双降压变换器的三相AC-AC变换器

针对配电网中传统自耦变压器铁心体积大、电压调控难等问题,该文提出一种基于开关电容(SC)与双降压变换器(DBC)的三相AC-AC变换器进行替代。该拓扑采用双级式功率变换结构,具有高降压比、电压连续可调、易于模块化拓展等特性,能够满足配电网电压变换需求。首先,详细介绍所提变换器的拓扑结构及工作原理,通过双级式功率变换与无死区控制的设计与应用,实现输出电压柔性调节;其次,推导三相AC-AC变换器输出增益表达式与等效电路模型并设计简单的电压闭环控制策略,探讨三相AC-AC变换器关键参数设计方法,通过与几种结构对比清晰地反映变换器特点;最后,搭建一台3.5kW实验样机,验证了所提拓扑结构的正确性和可行性。

DC-DC 降压变换器幂次等速趋近律滑模控制

为实现对降压(Buck)变换器输出电压的快速响应及精确控制,削弱传统滑模电压控制SMVC(slidingmode voltage control)的抖振现象,提出一种新型趋近律。通过引入系统状态变量和滑模面系数,重新设计趋近律中的趋近参数,并用幂次趋近的方法取代等速趋近律中的开关函数,利用新型趋近律设计滑模控制器。分析了新型趋近律参数对系统稳态精度和动态响应速度的影响。仿真结果表明,与等速趋近律、PI控制方法相比较,新型控制律输出电压波形比较稳定,动态响应更快,能有效地减少系统抖振以及超调现象。

一种新型大功率升降压变换器及控制方法

现有的升降压拓扑中双管级联变换器最符合高效大功率场合的使用要求,但如果工作模式标准选择不当,串联结构和Boost电路的非线性直流增益很容易在升降压转换过程中产生严重的振荡。本文提出了一种新颖的大功率IPOSBHB变换器,阐述了其电路结构及基本关系,建立了降压模式和升压模式下的开环小信号模型,设计了载波平移的组合控制方法,分析了升降压模式切换时传递函数的不一致性、占空比的不连续性和输入电压的扰动对变换器输出特性的影响,并给出了补偿措施。本文提出的载波平移组合控制策略和补偿方法很容易实现稳态时的高效控制和升降压模式切换时的平滑过渡,同时降低了输入电压扰动的不利影响。通过一台15 k W样机对本文提出的理论加以验证。

基于软开关的直流降压变换器研究

鉴于传统的直流-直流变换器在实际运行过程中,普遍存在开关损耗大和应力大,以及效率较低等多方面问题,故提出一种基于软开关的直流降压变换器.设计了零电压开关谐振转换电路的拓扑结构,阐述了不同工作时段的工作过程,并分别说明各个工作阶段的工作原理.同时,试制一台1 kW样机,观察并分析样机开关管的电压波形和电流波形,实验结果表明将软开关技术应用在直流降压变换器中,不仅可以大幅度降低开关损耗,而且可以大大改善开关条件,同时表现出良好的性能和效率,有望在电动汽车变换器或光伏发电等场合中大面积推广应用.

采用组合控制方案的双管升/降压变换器

分析了现有单相级联型Boost-Buck功率因数校正变换器的控制原理,并指出了其存在的不足,在此基础上提出一种新型组合控制方案。该方案在Boost工作模式下采用平均电流控制,在Buck工作模式下采用电荷控制。新型控制方案可以确保变换器不论在升压还是降压工作模式期间,都可实现良好的输入电流控制效果,达到功率因数校正的目的。通过原理样机实验,对理论分析的正确性和控制方案的有效性进行了验证。

数字式电流型降压变换器的建模研究

针对数字式控制芯片与模拟式控制芯片在动态响应上有所欠缺的问题,文中对数字式电流型降压变化器的模型进行了分析。指出了合理的斜坡补偿可以使得电流环路稳定,并得到受控电流源。电压采样点会决定系统的延时,在数字系统中,应保证采样的信息在最短的时间内得到使用。仿真和实验的频域和时域的结果都验证了数学模型的合理性。

一种高温DC/DC降压变换器的设计

近几年随着自动化设备的不断发展,各种电源变换器层出不穷,但工业电源往往要求工作在高温高压强震等复杂极端的环境,因此设计难度很大。经过对DC/DC技术的研究,本文提出一种高温环境下的DC/DC降压变换器的设计,结合整流电路、输入欠压和过压关断保护、软启动等功能,实现高交流电压到低直流电压的转换。实验证明,本设计能够在高温条件下长时间稳定工作。

软开关同步升降压变换器的研究

研究了一种软开关同步升降压变换器。该升降压变换器的滤波电感设计得比较小,使得电感上电流可以反向,分别通过正向电流和反向电流对两个同步整流管的结电容进行充放电,为软开关创造条件。此方法适用于较低压输出、较高功率密度的场合。根据两个开关管实现软开关的条件不同, 提出了强管和弱管的概念,给出了满足软开关条件的设计方法。并以一个输入28v、输出20v/3A、开关频率为200kHz的软开关同步升降压变换器的样机进一步验证了上述方法的正确性,其满载效率达到了94.2%

卫星电源控制系统结构和降压变换器仿真研究

对卫星电源系统控制结构进行介绍,比较了传统电源功率控制结构和改进结构的特点,并简要说明其控制方法,研究卫星电源系统中直流母线与负载间的降压变换器参数和控制策略设计过程,给出参数计算方法,通过Matlab软件仿真验证了所采用方法的正确性。

列车用升降压变换器的研究

设计了一种新型列车用变换器。它的输入电压在35 V^90 V之间变动,而输出电压为50 V,额定输出功率为300 W。该变换器的主电路采用Buck-Boost拓扑结构,开关管采用双管并联但互补导通的工作方式;控制器采用具有双路互补输出PWM驱动信号的SG3525芯片。运用状态空间平均法推导了电流连续模式下变换器功率级小信号模型,并写出了控制输出传递函数。利用Matlab画出了系统开环传递函数的波特图,通过分析波特图的特性设计了控制电路的双极点双零点补偿网络及参数。运用Matlab/Sim-ulink中的模块库为系统建立了仿真模型,给出了仿真结果。在输入电压变动范围内,做了一系列轻载和满载实验,验证了设计方法理论上的正确性。

一种应用于48V-1V系统的隔离型混合模式降压变换器

提出了一种应用于48 V-1 V系统的隔离型混合模式降压变换器,利用飞电容和变压器实现高转换比应用下的高转换效率。混合变换器结合了开关电容变换器和开关电感变换器,其中飞电容承担了部分电压降,实现了功率开关管电压应力的降低。由于开关节点处的电压摆幅较小,开关损耗随之减小;通过使用更低压的功率开关管,实现功率开关管导通损耗减小。在此基础上,隔离型混合模式降压变换器通过时序控制可以实现软开关,进而实现功率开关管开关损耗减小,使得整体效率提升。在隔离型混合模式降压变换器中,飞电容还具有隔直电容的作用,可以防止变压器偏磁。在典型应用下,即在48 V输入电压、1 V输出电压、500 kHz开关频率下,峰值效率为94.84%。

直流降压变换器的降阶扩张状态观测器与滑模控制设计与实现

本文针对直流降压变换器的负载电阻扰动和输入电压变化等系统不确定因素对输出电压的影响,提出了基于降阶扩张状态观测器的滑模控制方法(SMC+RESO).首先设计降阶扩张状态观测器对系统状态,负载电阻扰动和输入电压变化进行估计,然后基于估计值利用滑模控制技术设计控制器,实现对直流降压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性.值得注意的是,不同于文[1]所提出的基于扩张状态观测器的滑模控制方法(SMC+ESO),本文所提出的方法采用降阶扩张状态观测器,实现简单,且无需电流传感器,减小了实际应用的成本.利用Lyapunov稳定性定理从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的稳定性.仿真和实验结果表明,与已有的基于扩张状态观测器的滑模控制方法相比,所提出的控制方法更好地改善了系统的跟踪性能和对干扰和不确定性的鲁棒性能,且减少了成本,但是牺牲了系统稳态性能.

一种5V输出DC/DC降压变换器的性能分析

针对5V输出的DC/DC降压变换器,进行Pspice仿真设计,重点分析了该变换器的输出性能及负载变化对其输出的影响。由负载参量扫描分析可知,该变换器无论在满载还是轻载情况下均能稳定输出5V稳态值,负载调整率符合设计要求,输出性能良好。

电动客车直流电机驱动双向升降压变换器的研究

提出了一种双向升降压变换器,可用于采用超级电容器作为车载能源的电动客车直流电机驱动,构成的电流双象限不可逆调速系统具有再生制动能力,分析了主电路的工作原理,并通过仿真和实验验证了其可行性.

DC-DC降压变换器的滑模控制研究

为更快获得比较理想的直流输出电压,优化Buck变换器的动态性能,本文分析了一种滑模控制器控制的直流-直流降压变换器,推导了描述降压变换器的动态方程,并设计了滑模控制器。通过MATLAB/Simulink进行仿真,仿真结果表明,基于滑模控制的降压转换器对负载变化和输入电压变化的有效性和鲁棒性。