一种双闭环控制隔离Boost变换器起动控制策略

隔离Boost变换器起动期间,由于低输出电压导致过冲电流,对变换器造成损坏。提出一种新的隔离Boost变换器软起动控制策略,研究双闭环控制下具有起动电路隔离Boost变换器的起动过程。在提出的控制策略作用下,具有起动电路的隔离Boost变换器起动过程分为Flyback、Hybrid、Boost工作3个工作阶段。详细讨论该起动控制方法及其各个阶段的特点。在峰值电流控制方法下,输出电压在Flyback工作阶段从零开始建立。引入Hybrid工作阶段,同时实现了占空比平滑变化和输出电压平滑建立,该控制策略有效地抑制了起动电流过冲。实验结果验证了理论分析的正确性。

隔离Boost变换器用反激箝位的研究

隔离Boost变换器具有高频电气隔离、易于多路输出、输入电流纹波小、负载短路时可靠性高等优点。但是由于变压器漏感存在,开关管关断时升压电感电流无法瞬时流入变压器,从而在开关管两端产生浪涌电压。本文通过增加一个与升压电感耦合的反激线圈和一个连接到输出电容的整流二极管,构成反激箝位电路。在开关管关断时,反激整流二级管导通,将升压电感中存储的部分能量传输到输出电容,从而限制了升压电感两端的电压,达到箝位的目的。文中研究了升压电感和反激线圈的匝比对反激箝位作用的影响。5 0 0 W原理样机的实验结果显示,该电路起到了箝位作用,改善了元器件工作环境。

一种高增益非隔离型耦合电感Boost变换器

这里提出一种高增益非隔离型耦合电感Boost变换器。该变换器利用耦合电感匝数比可调的特性,使占空比拥有更宽余度的同时实现较高的电压增益。此外,采用无源箝位结构,回收漏感能量,抑制开关管的电压尖峰,从而选取低导通电阻的开关器件,提高变换器的效率。在连续导通模式(CCM)下,详细分析了所提变换器的工作原理和稳态特性。为了验证所提变换器的可行性,搭建了一台输入电压20 V,输出电压200 V,功率100 W的实验样机,测得其最大效率和满载效率分别为95.4%和94.2%。

基于新型CD单元的两相交错并联高增益Boost变换器

为减少基于电容-二极管(CD)升压单元的两相交错并联高增益Boost变换器的CD单元数量,提升变换器电压增益,提出一种最后两级CD单元电容并联充电、串联供电的新型两相交错Boost变换器拓扑结构,进一步发挥CD单元的升压能力。分析新型3CD、4CD两相交错并联Boost变换器的拓扑演化过程,提出新型NCD两相交错并联Boost变换器的拓扑演化规律。以新型4CD两相交错并联Boost变换器为例,分析变换器工作原理,以及电感、电容寄生电阻对变换器电压增益的影响。最后在StarSim硬件在环实验平台搭建1 kW的新型4CD单元交错并联Boost变换器,验证该文所提拓扑的正确性。

一种基于分数阶微积分的CCM Boost变换器准在线无源参数的数字孪生辨识方法

由于具有高性价比、准确性和数字化等优点,数字孪生已成为电力电子变换器故障趋势判断和预知维护的先进技术。针对当前电力电子变换器所建立的数字孪生模型尚未考虑实际电感、电容的分数阶特性的问题,基于分数阶微积分构建电力电子电路的预估-校正数字孪生模型,应用基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法的孪生参数辨识方法对不同分数阶阶次下的电感值(L)和电容值(C)进行辨识,并计算出等效串联电阻。通过与现有方法对比,该方法不仅提高了实际电感和实际电容的辨识精度,还能辨识出不同阶次下与不同C下的分数阶参数。最后,搭建不同L和C及分数阶阶次的连续导通模式Boost变换器物理样机,并考虑不同工况条件与不同辨识次数等因素来进行实验验证。实验结果验证了所提模型与方法的有效性。

分数阶Boost变换器的混沌控制研究

基于电容电感均为分数阶的事实,对分数阶连续导通模式Boost变换器的非线性动力学特性进行分析,提出了基于优化参数共振微扰法的分数阶Boost变换器混沌控制策略。首先,采用预估-校正算法建立了峰值电流控制分数阶Boost变换器的预估-校正模型,通过分岔图详细分析了电路参数对变换器非线性动力学特性的影响。然后,采用优化参数共振微扰法对变换器进行混沌控制,推导了系统的稳定判据,计算了扰动信号的最优幅值与相位。最后,在MATLAB/Simulink中进行仿真实验。研究表明,选择合理的扰动信号,能够有效抑制变换器的混沌现象,使变换器由混沌回归稳定状态。与参数共振微扰法相比,优化后的控制策略提高了系统的鲁棒性。仿真结果验证了所提策略的有效性。

固态变压器中隔离双向DC/DC变换器扩展移相下虚拟电流控制策略

该文以固态变压器后级隔离双向DC/DC变换器为重点研究对象,提出一种扩展移相下虚拟电流控制策略。通过分析后级变换器在扩展移相传输功率下相移量关系以获得最小电流应力最优解来提高变换器的传输效率,减少器件损耗。同时通过虚拟电流控制思想在线估算传输功率来提高系统动态响应性能,减少电流传感器使用。最后,对该文所提出的扩展移相下虚拟电流控制与扩展移相控制进行实验对比分析,验证了扩展移相下虚拟电流控制策略具有降低电流应力,显著提高变换器的动态响应的优点。

引入负载扰动观测的Boost变换器定频滑模控制

针对传统线性控制方法下Boost变换器存在系统动态性能差和对负载扰动鲁棒性不强的问题,从功率平衡的角度提出1种定频滑模电流控制方法。首先,利用负载电流观测值计算维持输出电压稳定所需的输入功率;其次,通过控制电感电流调整变换器输入功率,从而将系统的状态轨迹限制在对负载扰动具有不变性的滑模面上,保证系统大信号稳定并提升其动态性能;最后,基于等效控制原理,通过PWM技术实现等效滑模控制,避免了传统滑模控制中存在的抖振及开关频率不稳定问题。在Simulink中对Boost变换器负载阶跃变换的工况进行仿真,将所提方法与传统线性控制方法对比。结果表明,采用所提方法,系统的动态性能更好,且能保证系统在负载大范围扰动下的大信号稳定。

基于能量模型的临界导通模式Boost变换器软开关方法

在变换器高频化发展的趋势中,功率器件的软开关实现对变换效率的影响更加突出。无辅助电路的临界导通工作模式下,Boost变换器主开关管在特定增益下无法实现软开关。为此,该文提出一种能量模型及相应的软开关实现方法。首先,建立死区前后储能元件能量变化的数学模型。然后,结合死区起止时刻的能量平衡方程,研究软开关无法实现的电路机理。在此基础上,考虑开关管输出电容非线性特征,提出软开关实现方法,避免了复杂谐振过程的时域精确建模,提高软开关实现的准确性。最后,搭建500W实验样机进行实验,结果表明,相较于对谐振过程建模的传统时域模型,所提方法将实际开通电压降低47%,使峰值变换效率提升0.4%,进而验证了其有效性。

基于预估-校正算法的分数阶Boost变换器倍周期分岔研究

基于电感电容本质是分数阶的事实,对分数阶Boost变换器的非线性动力学特性进行了深入研究。采用分数阶微积分的预估-校正算法,建立了Boost变换器的预估-校正模型,在此基础上得到了以参考电流、输入电压以及电容电感阶数为分岔参数的分岔图,研究了变换器的倍周期分岔和混沌行为,同时与整数阶Boost变换器的非线性动力学行为进行了比较。研究结果表明,在一定的工作条件下,随着变换器某些电路参数的变化,分数阶Boost变换器会出现分岔和混沌等非线性现象;在相同电路参数的条件下,整数阶和分数阶变换器的稳定参数域之间存在差异,与整数阶变换器相比,分数阶变换器的参数稳定区域更小,更真实地反映了Boost变换器的非线性动力学特性。

基于R-L分数阶定义的PCCM Boost变换器建模与分析

研究了基于R-L分数阶定义的电感电流伪连续PCCM(pseudo-continuous conduction mode)Boost变换器模型,并由此导出了变换器的状态平均模型,然后推导出升压比,直流静态工作点,电感电流波纹以及输出电压波纹的表达式。结果表明,与基于Caputo分数阶定义下的变换器模型相应表达式比较,R-L分数阶定义下的直流静态工作点和升压比不仅与占空比相关,而且还与电感和电容的阶数有关,输出电压波纹的表达式不仅与分数阶电感的阶数α有关,与分数阶电容的阶数β也相关。电感和电容的阶数对状态变量的直流分量和分数阶PCCM Boost的稳态特性有很大影响。最后,在MATLAB/SIMULINK中搭建了R-L分数阶PCCM Boost变换器数学模型和电路模型,仿真结果显示R-L分数阶PCCM Boost变换器模型的分析结果比其他PCCM Boost模型的分析结果更加稳定,误差更小。

采用环形变压器的小功率隔离型DC-DC变换器共模电磁干扰噪声建模与抑制

环形变压器具有隔离电容小、易于实现印制电路板(PCB)和集成电路(IC)等优点,在小功率隔离DC-DC变换器设计中的应用日益广泛。实际产品设计中,针对共模EMI噪声的准确预测和有效抑制是至关重要的,而变压器是隔离变换器共模EMI噪声的主要传播通路。然而,目前鲜有针对环形变压器共模电磁干扰(EMI)特性的相关研究,也缺乏针对性的噪声抑制方法。该文针对多种常见于小功率隔离型DC-DC变换器应用的环形变压器对称绕组结构,推导证明其具有统一的对称共模等效集总电容模型。该模型的参数易于获取,且可直接用于预测共模EMI噪声。分析了常用隔离变换器拓扑采用环形变压器时的共模噪声特性,同时给出噪声预测方法,并经实验验证了模型的正确性和有效性。此外,还提出多种环形变压器的共模EMI噪声抑制方法并加以分析,所提方法已在两台样机上得到验证,共模噪声的抑制效果显著。

基于堆叠滤波结构的高电压比低纹波隔离型DC-DC制氢变换器

氢能是未来新能源电力系统中一种重要的储能方式,DC-DC制氢变换器则是连接新能源系统直流母线和电解槽的关键设备。在制氢这种大电流应用场景中,现有的大电流DC-DC变换器拓扑通常难以兼顾高效率、高电压转换比和低输出电流纹波等指标要求。为此该文提出一种基于堆叠滤波结构的DC-DC制氢变换器,该堆叠滤波结构是简单的软开关电路,具有低功耗特点,可并联于变换器输出侧有源补偿输出电流纹波,使得纹波消除不再依赖繁重的无源滤波器和高开关频率,从而提升变换器效率。此外,提出一种半波导通控制方式,该控制作用于变压器二次侧的两相交错Buck电路,可有效提高变换器的电压转换比。分别对提出的制氢变换器的拓扑原理、控制方式、参数选取和性能进行了详细的理论分析,最后通过PSIM仿真和240 W/20 A的实验样机对DC-DC制氢变换器进行了验证。

基于共同二次Lyapunov函数的频率可控的Boost变换器切换律

针对最小型切换律开关频率过高难以应用于工程实际的问题,建立了Boost变换器CCM运行的切换系统模型,基于共同二次Lyapunov函数提出1种新的切换律。根据切换律的数学表达式,分析变换器的稳态性能及动态性能,描述该切换律对变换器开关频率的调节机制。仿真及实验表明,在该切换律的作用下,Boost变换器开关频率可控,不会出现切换系统特有的芝诺行为,且与现有控制策略相比,变换器的动态性能好,在受到外部扰动时电压波动更小,调节时间更短。

四相交错Boost变换器的解耦均流控制方法

交错并联Boost变换器通常采用双闭环控制输出电压,均流环平衡电感电流。但是,在变换器的控制过程中,双闭环与均流环往往存在耦合问题。为此,提出了一种主从均流解耦的控制方法,削弱双闭环与均流环控制时的耦合关系。首先,介绍了四相交错并联Boost变换器的拓扑结构及工作原理,建立小信号数学模型,并推导出传递函数;其次,阐述了双闭环与均流环的解耦的条件,提出了一种双闭环与均流环的解耦的控制策略,实现双闭环与均流环之间的解耦;最后,在PSIM中搭建了四相交错并联Boost变换器仿真平台,进行四相交错并联控制。仿真结果表明,采用主从均流解耦的控制方法后,输出电压波动明显降低,证明了所提方法的可行性和有效性。

Boost DC-DC变换器连续导电模式解析

DC-DC变换器是“电力电子技术基础”课程的重要入门变换器,优选教学内容并合理布局,有助于学生养成良好的学习和思维习惯。根据电感电流的连续性以及负载电阻供电来源的差异性,Boost DC-DC变换器具有多种工作模式,包括连续导电模式(CCM)、临界导电模式(CRM)和断续导电模式(DCM)。其中CCM又可分为电感完全供能模式(CCM-CISM)和电感不全供能模式(CCM-IISM)。在理论分析和推导CCM-CISM与CCM-CISM临界电感表达式基础上,对几种典型工作模式采用Matlab/Simulink进行仿真验证。所得结果有助于加深学生对Booost DC-DC变换器工作原理的理解,引导学生学会深度思考和自行仿真验证随时产生的设想。

隔离型双向AC-DC矩阵变换器闭环控制方法研究

根据隔离型双向AC-DC矩阵变换器(Isolated AC-DC Matrix Converter,IAMC)没有中间电容缓冲环节,输入和输出变换器控制之间存在耦合,研究提出了IAMC两级功率变换器的控制方法。通过对全桥变换器进行闭环控制进而实现对直流侧输出电流和功率的直接控制;三相-单相矩阵变换器实现对有功和无功功率的独立控制,以满足网侧功率因数的高精度控制。所提控制策略有效降低了两级变换器的耦合强度,保证了系统的良好性能。在MATLAB中进行仿真,结果表明,所提出的控制方法在使系统电能质量得到提高的同时,可以实现单位功率因数可调,验证了所提控制策略的正确性和有效性。

具有零电压开关的高升压半桥Boost变换器

为了解决半桥Boost变换器电压增益低、开关管电压应力高、硬开关等问题,通过在半桥Boost变换器中级联一组耦合电感升压结构,提出一种变换器以实现较高的电压增益和较低的开关管电压应力。利用耦合电感的漏感,实现所有开关管零电压开关(Zero-voltage-switched,ZVS)和所有二极管零电流开关(Zero-current-switched,ZCS),有效降低开关损耗。此外,所提出的变换器还具有公共接地和连续输入电流的优点。分析变换器的工作原理,给出变换器的各项性能参数以及变换器开关管实现ZVS导通的条件。对比其他高升压变换器,所提变换器具有较高的电压增益和较低的开关管电压应力。最后搭建一台200 W的试验样机,验证所提变换器原理的正确性。

一种非隔离高增益直流升压变换器

针对太阳能光伏发电系统对高增益、高性能直流升压变换器的需求,提出一种非隔离新型高增益直流升压变换器。分析该变换器的工作原理,对其电压增益、开关管/二极管电压应力、电感电流应力等性能指标进行算式推导。通过与现有同类型变换器性能的对比研究,证实该变换器具有电压增益高、开关管/二极管电压应力较小的优点。最终通过PSIM软件仿真,证实对该变换器所作理论分析的正确性及其优势的有效性。

隔离型Boost全桥变换器的关键问题研究

隔离型Boost全桥变换器因为特别适用于大功率低压输入场合,在诸如电动汽车、航天电源等领域得到广泛研究。本文将对隔离型Boost全桥变换器的两个关键问题进行分析讨论。一是如何减小变压器的漏感,二是如何实现IBFBC初始输出电压的建立。