带感性负载的Buck-Boost变换器的非线性行为分析及优化控制

Buck-Boost变换器在某些参数发生变化时会呈现出丰富的非线性行为,这些行为将严重影响系统的稳定性,使得系统输出的电能质量劣化。文章基于实际变换器的负载特性,深入研究了感性阻抗负载下Buck-Boost变换器的非线性行为产生机理,提出了一种对数延迟反馈控制方法。该方法选取系统的输出延迟值与自身的值作差形成反馈信号;将该信号通过比例环节、求和环节和对数环节形成控制信号,以负反馈的形式施加于系统;最后基于稳定判据确定最优控制参数并对系统实施控制。为验证该方法的有效性,进行了大量的仿真实验,结果表明该方法能很好地抑制系统的非线性行为,扩展其稳定边界,改善系统输出的电能质量。

宽增益高效率级联式四开关Buck-Boost LLC变换器

为了解决变频控制的桥臂共用型四开关Buck-BoostLLC级联变换器磁性元件设计和优化困难的问题,提出一种二次侧为特殊全桥整流结构的级联式四开关Buck-Boost LLC变换器。通过控制二次侧开关管的交叠导通时间以拓宽变换器的电压增益。该变换器可根据不同的输入电压范围工作在交叠模式和整流模式;在不改变变换器参数的条件下将增益显著提高,能够适应更宽范围的输入电压,同时保持了变换器较高的工作效率。在两种工作模式的基础上,采用移相控制使变换器所有开关管实现零电压导通(ZVS),二极管实现零电流关断(ZCS)。结合状态平面轨迹分析法,对定频控制的级联式四开关Buck-Boost LLC变换器进行模态分析,并推导两种工作模式下的输入-输出表达式和开关管的软开关实现条件。最后,通过研制一台70~280 V输入、240 W/28 V输出的实验样机,验证了理论分析的正确性。

非最小相位的单电感双输出Buck-Boost变换器的复合控制方法

单电感双输出Buck-Boost (SIDO Buck-Boost)变换器在电感电流连续模式(CCM)下工作存在交叉影响以及非最小相位特性的问题.为了解决上述问题,提出基于储能函数的扩张状态观测器(ESO)的改进非奇异快速终端滑模(NFTSM)和自抗扰控制(ADRC)相结合的控制策略.设计主路控制器,对系统的传递函数进行拟合得到ADRC范式,利用该范式对主路进行解耦控制.设计支路控制器,采用改进型ESO对储能函数进行观测,并将观测值反馈补偿到非奇异快速终端滑模控制律中,达到支路解耦的效果.为了抑制滑模控制的抖振问题,对趋近律进行改进.利用Lyapunov理论证明系统稳定性.基于硬件在环(HIL)实验平台进行实验验证.结果表明,所提控制策略与PI控制策略以及基于ESO的滑模控制策略相比,在超调量和响应时间上具有较好的效果.

基于开关流图法的Buck-Boost变换器小信号建模分析

阐述Buck-Boost变换器具有输出纹波低,电压可控等优点,广泛应用于新能源汽车电池发电、直流微电网。建立小信号模型有利于对电路系统主电路的控制和控制回路的设计。分析Buck-Boost变换器,利用开关流图法和信号支路的模型建立变换器的流图,从而推导出变换器的小型号模型。

基于Buck-Boost准谐振电路的电池自适应分组均衡方案研究

针对Buck-Boost均衡电路中开关频繁通断导致均衡效率降低的问题,文中对传统的Buck-Boost电路进行改进,设计可实现开关管的零电压导通的准谐振电路,有助于减小开关损耗,提高均衡电路的效率。为减少开关管的通断次数,并缩短均衡时间,均衡策略采用全局优化视角,分段选择电压和SOC作为目标均衡变量,并提出电池单体间、单元间及模组之间的自适应分组均衡策略。以8个电池串联的电池组为例,设计静置、充电、放电和浮充均衡实验,结果表明,与传统方案相比,提出的均衡电路和均衡策略在均衡效率和速度上有显著提升,可助力电池组的整体性能提升及其延寿。

输入输出共地型三电平Buck/Boost变换器飞跨电容电压自平衡分析

输入输出共地型Buck/Boost变换器中飞跨电容的平衡机理是变换器正常运行及飞跨电容电压控制的关键。在实际应用中,飞跨电容虽然具有一定的自平衡作用,但是其平衡能力与多种因素有关。在现有的文献中,针对Buck/Boost变换器飞跨电容的自平衡能力与哪些因素相关的问题尚未有深入的分析。因此,基于输入输出共地型Buck/Boost变换器,建立高次谐波模型,定量分析飞跨电容具有自平衡能力的原因;在谐波模型基础上,更进一步分析驱动误差、变换器回路交流阻抗、母线电容、负载电阻及飞跨电容对于飞跨电容平衡能力的影响,指出变换器回路交流阻抗是实际应用中飞跨电容具有自平衡能力的主要因素。最后,在实验平台上对相关分析进行实验验证。

一种电流模式Buck-Boost变换器的混沌与反混沌混合控制方法

由于混沌系统具有内在随机性的特征,其状态变量之间的关联性有时很弱,甚至不相关,因而难以对系统实施有效控制。文中基于状态关联和参数扰动的思想提出了一种Buck-Boost变换器混沌与反混沌混合控制方法。所提方法定义了一个调整系数来表征状态变量之间的耦合强度,通过调节该系数达到控制其耦合强度的目的,并建立系统的数学模型。利用系统的微分项来表征参数扰动项,对系统施加一定范围的参数扰动。根据控制目标,通过改变调整系数实现对系统的混沌与反混沌控制。基于单值矩阵理论和Simulink仿真平台验证了方法的有效性。所提方法仅需调整一个外部参数,即可将任意状态下的电流型Buck-Boost变换器控制到周期1、周期2轨道及混沌态。

单级单相无电解电容Buck-Boost逆变器

该文给出一种无电解电容的单级单相Buck-Boost逆变器。该逆变器可以灵活地实现升降压以适应宽输入范围的直流侧电压;仅用一个工作于正负半周的低值直流储能电感而无需电解电容和大电感,开关器件和无源器件数目少,因而降低了成本和体积,提高了可靠性、使用寿命和功率密度;通过改变储能电感电流方向实现极性反转,控制方式十分简洁,非常适用于中小功率光伏系统。该文详述了Buck-Boost逆变器的工作原理、升降压能力及调制策略,并在此基础上,完成该逆变器升降压、扰动以及并网控制的仿真和实验,结果良好且与理论分析相契合。

非反向Buck-Boost变换器的三段式ZVS控制策略

目前文献中的四边形控制方法及其改进方案,能实现非反向Buck-Boost变换器各开关管的ZVS,但存在如下问题:需使用多维查找表或外部存储设备而无在线检测实时计算的闭环、较大的通态损耗和多模式切换引起的输出电压波动等。该文针对上述3个问题提出一种三段式变频ZVS控制策略。首先,去除四边形控制中电感电流的环流续流环节,以减小电感电流有效值并提高效率。其次,在不添加任何额外有源或无源器件的条件眄,将整个宽输入电压范围分成3个模式,分析每个模式的特点,以增加控制条件和简化计算过程,同时实现各模式的在线实时恒压闭环和通态损耗最小ZVS而无需使用多维查找表和线性插值,整体控制简单易实现。然后,提出基于三段式ZVS控制的多模式平滑切换控制策略,可保证在模式切换时各开关管占空比跳变前后,闭环输出始终保持稳定。最后,本文给出了各模式区间划分的理论依据,并搭建500 W实验样机验证了所提方案的有效性。

宽负载范围高效四开关Buck-Boost变换器的新型变频控制策略

四开关Buck-Boost(FSBB)变换器采用四模式工作,有效降低了输入电压接近输出电压时电感电流的平均值,缓解了单模式控制、双模式控制和三模式控制效率低的问题。然而,传统的软开关或恒频硬开关控制方式难以在全负载范围内保持高效率工作。提出了一种新颖的变频控制策略,以提高宽负载范围内的效率。轻载时采用高频软开关控制,重载时采用低频硬开关控制,以提高宽负载范围下的整体效率。基于四模式FSBB的损耗模型,提出了针对负载电流的变频控制,并给出了详细的损耗分析。为验证分析的正确性,搭建了一台5 k W的实验样机。实验结果表明,在宽负载范围内,通过频率变化实现软开关和硬开关相结合的变频控制方式有效优化了整体效率,峰值效率达到98.5%。

基于CESO的SIDO Buck-Boost变换器自抗扰控制策略

针对单电感双输出Buck-Boost变换器两输出支路va和vb间存在交叉影响,暂态性能差等问题,提出一种基于级联扩张状态观测器(CESO)的自抗扰控制(ADRC)策略.首先,根据ADRC理论将主路和支路分别拟合为相互独立的系统,减少支路间的交叉影响;其次,设计CESO对系统总扰动进行估计,消除因传统扩张状态观测器不完全估计而造成的观测残差,并利用CESO对电路传感器高频噪声的抑制作用,进一步提高观测值的估计精度;然后,将观测值作用于ADRC的状态误差反馈控制率,以提高系统的暂态性能;最后,利用Lyapunov理论证明了控制系统的闭环稳定性.仿真结果表明:本文所提控制策略有效减小了两输出支路va和vb间的交叉影响,同时提高了系统的暂态性能.

可拓展增压单元的高增益耦合电感组合Buck-Boost-Sepic变换器原理与设计

提出一种适用于光伏系统、可扩展倍压单元的高增益耦合电感组合Buck-Boost-Sepic变换器。此变换器是由Buck-Boost变换器与Sepic变换器组合,并将储能电感设计成耦合电感并构成倍压单元。变换器不仅得到了理想的电压增益,而且复用电容与二极管形成了无源钳位支路,将漏感能量吸收,阻止了与开关管寄生电容一起引发的谐振,抑制了开关管电压尖峰,降低了开关管的电压应力。分析了变换器的工作原理,给出了变换器的各项性能参数和扩展倍压单元的变换器一般拓扑结构。最后,变换器理论设计的正确性由一台搭建的200 W实验样机得到了验证。

基于改进型ZVT Buck电路的IPT充电系统设计

为了避免在感应式无线电能传输系统的耦合机构中增加多余的开关器件以及额外的无源元件,同时减小系统工作在高频率、大功率时全控型开关器件存在的开关损耗,提出基于改进型ZVT Buck电路闭环控制的方法实现对电池的恒流、恒压充电,通过分析改进型ZVT Buck电路的工作模态以及对电路参数的设计,确保在整个充电过程中DC-DC变换器均工作在软开关状态,最后搭建充电电流为35 A、充电电压为370 V的实验平台验证该方法的可行性。结果表明:该方法控制简单,并且降低了系统电路结构的复杂度,传输效率相对较高,能够满足恒流恒压充电需求。

四开关Buck-Boost变换器研究综述

直流微电网因其结构复杂、功能多样,对系统中变换器的性能有较高要求。四开关Buck-Boost变换器具有宽范围电压变换、输入输出同极性、功率双向传输等优势,近年来得到国内外学者的广泛关注,被应用于直流微电网中的新能源发电、储能等单元。通过分析该变换器的工作原理与典型控制策略,对变换器研究中现存关键问题,模式切换与效率优化进行归纳总结。针对模式切换问题,从模式切换时死区机理出发,基于多模式控制策略,分析了模式平滑切换的典型控制方法。针对效率优化问题,归纳了影响变换器效率的关键因素,并从硬开关与软开关两个方面分析阐述了常见的效率优化方法。最后,对四开关Buck-Boost变换器的现有研究工作进行了总结与展望,为该领域的进一步研究和发展提供了理论指导。

三电平Buck-Boost变流器直流电容与IGBT开路故障非侵入式监测方法

三电平Buck-Boost变流器具有双向馈能和能量传输高效的特点。针对直流电容器容值衰退和IGBT开路故障两种典型失效模式,提出了一种利用变流器自身传感器同时对直流电容容值衰退和IGBT开路故障非侵入式在线监测的方法。首先,分析了三电平Buck-Boost变流器开关运行模态及其切换顺序。然后,采用特定开关模态消除直流电容等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)影响,分别推导了子模块电容的容值特征解析表达式。最后,利用每个开关周期计算出的等效容值特征检测和定位IGBT开路故障。仿真和实验结果表明:利用开关模态容值特征能够同时监测三电平Buck-Boost变流器直流电容状态和IGBT开路故障,平均容值监测误差小于1%且可以消除ESR的影响,利用容值特征畸变能够在2~3个开关周期内检测出IGBT开路故障。

储能系统双向Buck-Boost变换器控制策略研究

为应对可再生能源出力波动引起储能系统功率流动方向的频繁变化,提出一种基于自抗扰控制和模型预测控制(ADRC+MPC)的储能系统双向Buck-Boost变换器控制策略。其中模型预测控制方法应用于电流内环,无需进行参数整定的同时,也提高了系统的响应速度;采用自抗扰控制策略的电压外环,通过在高频段降阶简化控制对象,达到降低自抗扰控制器复杂度的目的。仿真和样机实验显示当电感电流与输出电压参考值突变时,系统可分别在0.2与30 ms内迅速调整到给定值;当负载与电源电压突变时,系统能在20 ms内恢复稳定。实验结果证明该文提出的控制方法优于PI+MPC策略,具有响应速度快、超调量和波动幅度小的特点。

基于Crowbar与Buck电路对双馈风力发电机LVRT的研究

在双馈风力发电系统中,当电网电压跌落较严重时,传统的改变励磁的控制策略或仅在转子侧引入撬棒(Crowbar)保护电路,已不能满足电压跌落时低压穿越(LVRT)的要求,论文在直流侧引入了卸荷(Buck)保护电路协同转子侧主动式Crowbar保护电路工作,更有助于跌落电压的恢复,大大提高了并网电压低压穿越的能力。首先对双馈风力发电机(DFIG)建立数学模型并进行暂态特性分析,推导相关故障电压电流表达式,然后对Crowbar保护电路和Buck保护电路阻值进行整定。通过仿真分析验证了组合保护电路的可行性与优越性。

具有低输出纹波的双电感复用无桥buck-boost PFC变换器

单相buck-boost功率因数校正(PFC)变换器凭借高功率因数(PF)与升降压的输出特性广泛应用于小功率非隔离LED场合(≤25 W),但是随着双碳政策的推行,需要进一步提升变换器性能。因此提出一种双电感复用的单级无桥buck-boost变换器,其双电感分别交替工作于电感电流不连续导通模式(DCM)与连续导通模态(CCM)。工作于CCM的电感可以与电容构成LC滤波电路减小输出纹波,工作于DCM的电感可以使变换器仍然采用单电流闭环控制实现接近于1的PF与输出调节。此外,所提出的变换器仍然可以采用含谐波注入的控制,进一步降低输出电流纹波,实现PF与输出电流纹波的权衡。最后,两台实验样机验证了拓扑的可行性和理论分析的正确性。

基于PLECS仿真的四开关Buck-Boost变换器参数设计

为了优化四开关Buck-Boost变换器的参数设计过程,分析了一种基于PLECS软件设计电路参数的方法。该方法在原理分析的基础上,利用PLECS仿真软件建立了电路的开环、闭环及热仿真模型进行参数选择,从而得到最优的参数组合。研制了一台100 W的实验样机,该样机在宽电压输入以及负载变化的情况下,电路具有较好的抗扰稳压效果,并且其输出效率达到93%左右。

混合工作模态的高功率因数无桥Buck PFC变换器

AC-DC降压型功率因数校正PFC(power factor correction)变换器广泛应用于低压场合,为解决该类拓扑因输入电流死区导致功率因数PF(power factor)低、输入电流总谐波THDi(total harmonic distortions of input current)高的问题,首先引入Buck-Boost单元以构建1种高PF的混合工作模态降压型无桥PFC变换器,其在正、负半个工频周期分别工作在Buck和Buck-Boost模式。虽然Buck-Boost单元效率低于Buck单元,但所提变换器在负半工频周期运行于Buck-Boost模式,可以避免输入电流死区以提高PF并降低THDi。在正半工频周期运行于Buck模式,变换器仍保留Buck单元的高效率优势。其次,通过分析所提无桥变换器工作模态与PF值来证明变换器的高PF特性。最后,通过仿真实验,验证所提变换器的可行性和理论分析的正确性,并比较所提变换器与传统Buck PFC变换器的性能。