Bucking the Economic Trend

Despite slowing global economic growth, Sino-African trade was a star performer in 2012 and prospects look even better for 2013

双频DC-DC变换器的磁集成技术

双频Buck变换器由两个降压单元级联构成,具有动态响应快,开关损耗小等优势。然而不足的是磁件占据了整个系统的大部分体积与重量,降低了系统的功率密度。针对这一问题,提出一种三段式绕制磁集成技术,将磁件以解耦的方式集成在一副磁心中。该文首先建立集成磁件的磁路等效模型,通过抵消各绕组之间的耦合作用推导出解耦条件,并详细阐述了磁心的选取、匝数以及气隙的设计原则。其次,利用有限元仿真平台对所提集成磁件进行建模分析,与现有的集成方法相比,磁通密度分布更为均匀,磁心的利用率得到了有效提升。最后,搭建一台48 V/12 V、108 W的实验样机,体积和重量同分离磁件相比降低了31.2%和25.3%,提高了系统的功率密度,验证了该集成方法理论分析的正确性和可行性。

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。

三电平Buck变换器输出纹波电压畸变机理分析

交错控制三电平Buck变换器受功率开关器件寄生参数的影响,输出电压纹波及电感电流纹波不仅发生了畸变,且纹波电压大小和忽略寄生参数的纹波电压存在较大误差。因此,深入分析了交错控制三电平Buck变换器输出纹波电压畸变机理,建立了考虑功率开关器件寄生参数的电感电流纹波、输出纹波电压的数学模型。在此基础上进行了实验验证,实验结果表明,功率开关器件的寄生参数是导致输出纹波电压波形畸变以及与理想模型产生较大误差的主要原因,验证了理论分析的正确性。所得结论可为三电平Buck变换器的变换器参数设计提供理论指导。

高频双频Buck变换器平面集成磁件优化设计

针对目前开关器件和磁性元件性能不足导致双频Buck变换器的效率和功率密度低的问题,研究了一种高效高功率密度的双频Buck变换器。变换器将工作在连续导通(CCM)模式,采用解耦合的平面集成电感器完成系统磁元件的集成,结合磁件的集成方法、有限的PCB层数和变换器的特性给出双频Buck变换器的参数,然后,提出了一种双频Buck变换器平面磁件的设计方法,并完成系统磁元件的优化设计。最后,基于第3代半导体SiC器件以及平面集成磁件,设计了额定功率200 W、开关频率400 kHz的双频Buck变换器。结果表明:该变换器峰值效率将达到96.1%,功率密度为46.1 W/in^(3)(1 in=25.4 mm),验证了双频Buck变换器设计方法的正确性和有效性。

基于数字PWM控制的Buck型DC/DC变换器设计

为解决集成电路生产成本随半导体制造工艺进步而升高的问题,尤其针对传统模拟架构DC/DC变换器中的电阻、电容、运算放大器等模块面积大、功耗高、稳定性差等问题,设计一款基于数字PWM调制buck型DC/DC变换器。设计基于CSMC 0.18μm BCD工艺,使用Verilog硬件描述语言设计数字PID补偿器,在VCS+XA数模混合仿真环境下进行仿真验证。仿真结果表明在不同PVT条件以及不同负载下,输出纹波较低,输出电压稳定,实现了低成本、高鲁棒性的设计目标。

自适应可调恒定导通时间Buck型直流电压变换器设计

为提高开关电源输出纹波电压、负载调整率、线性调整率和瞬态响应时间等性能指标,采用纹波控制的方法,研究出一款自适应可调恒定导通时间(adjustable-constant-on-time,ACOT)Buck型直流电压变换器。基于TSMC0.18μmCMOS工艺完成了电路设计,并用Cadence平台Spectre仿真器进行了仿真验证。结果表明:该电路的恒定导通时间可以精准灵活调节,纹波电压、线性调整率和瞬态响应时间均较低,与相关文献对比可知,本文设计在负载调整率上具有明显优势。

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。

流控型Buck变换器的动力学行为分析

针对光伏发电系统中电流控制型Buck变换器,利用不连续动力学理论分析了其非线性振荡行为.通过调节控制电路的电压幅值和直流激励电源值,给出碰撞边界的和时钟脉冲触发的参数分岔图,获得了电流控制型Buck变换器从稳定的周期1到混沌状态的参数节点.分别绘制周期和混沌运动的相轨迹和时序图,分析各子域内具有不同映射结构的系统类型.研究结果表明,流控制型Buck变换器在参数变化时其运动行为丰富,边界碰撞现象明显,观测到倍周期分岔和阵发混沌.通过分析映射类型,说明其边界的非线性振荡行为.

利用参考电压注入的Buck变换器电感电容估计

电路的元件参数,尤其是电感和电容值,严重影响着Buck变换器的控制性能。提出了一种参考电压脉冲注入法用于电感和电容的在线估计。为了提高Buck变换器中电感和电容值的估计精度,利用原稳态和新稳态构建满秩状态方程,在线推导算法所需寄生参数和负载电阻。研究基于电感伏秒特性和电容电荷平衡特性的精确离散时间变换器模型,为元件参数估计奠定了基础。通过给参考电压注入短脉冲信号,并使用PID控制器对电路中的电感电流和输出电压进行调节,建立了用于参数估计的瞬态和新稳态。利用瞬态中采样的电压和电感电流估计电感和电容值,避免了稳态时的收敛问题。基于提出的平均电感电流估计算法,电流采样频率降低至开关频率。最后,在Matlab/Simulink平台上进行了仿真验证,结果表明:即使在考虑实际噪声的情况下,电感和电容值的最大估计误差分别小于2%和4.2%;相较于其他参数估计算法,参考电压脉冲注入方法的引入有效提高了参数辨识的估计精度,有助于Buck变换器系统控制性能的提升。

基于AWF-DPID控制的同步Buck变换器研究

针对当前各种电子设备不断发展对电源管理芯片的精度、速度等要求越来越高的趋势,提出一种基于模糊逻辑的反计算法抗饱和双环PID(AWF-DPID)控制策略,实现同步Buck变换器的恒压限流功能。在双环PID(DPID)的基础上,设计一个二维模糊控制器,实时调整电压环输出参数,在电压环输出设计一个反算法抗积分饱和模块,从而调节Buck变换器的脉冲宽度,更高效精准地实现控制。变换器在10 kHz的频率下工作,给出变换器参数通过软件对不同控制策略进行仿真。结果表明,在实现恒压限流的相同控制目标下,AWF-DPID控制较其他控制响应更迅速、超调量更小稳态误差更小并且纹波系数更小;变输出指令下电压跟随性最好,有良好的动态特性。

单相单级式耦合电感型分裂源升压逆变器

面对全球资源日渐紧缺、环境问题日益严重、传统化石能源开发利用越发困难等新挑战,世界各国都在大力探索、发展新能源发电技术,以新能源为主体的新型电力系统是未来电力系统的发展方向。该文提出一种单相单级式耦合电感型分裂源升压逆变器及其调制策略,所提出的变换器具有如下特点:1)采用Δ型耦合电感,极大地提升变换器的输出电压增益,并具有高输出电压增益调节自由度。2)采用双Buck结构,有效抑制逆变桥臂直通电流,降低死区时间配置要求,提高变换器可靠性。3)高输出电压增益条件下具有高调制系数,从而有效提升输出电压波形质量。该文对该变换器的拓扑结构、工作原理、调制策略和输出特性等进行详细分析,通过仿真与实验验证变换器的可行性与有效性。

峰值电流控制Buck变换器高频建模及结合遗传算法的控制器优化设计

峰值电流控制Buck变换器广泛应用于电源管理芯片。小信号建模是设计其控制器的关键。现有模型忽略电压外环引入的稳态控制信号纹波与小信号扰动延拓频谱对系统的影响,在高控制带宽场景下失效,从而无法指导控制器的设计。该文首先指出控制器设计决定了控制信号纹波类型,进而研究了可导型纹波对系统建模的影响;然后综合考虑电压、电流环导致的频谱耦合,得到精确的高频模型;最后基于高频模型,提出一种结合遗传算法的高带宽控制器优化设计方法。仿真与实验证明了该模型的精确性与设计方法的优越性。

带恒功率负载多电平Buck变换器逆解耦自适应滑模控制

针对带恒功率负载(CPL)多电平Buck变换器的强耦合问题及负阻抗特性引起的不稳定问题,提出一种逆解耦自适应滑模控制策略。建立带CPL多电平Buck变换器的非线性数学模型,基于逆系统方法证明系统的可逆性,并推导逆系统表达式,将模型线性化解耦为多个伪线性子系统,抵消负阻抗特性的影响。通过选取线性滑模面和指数趋近律以减弱滑模抖振,并将自适应机制引入到滑模控制中,进而为线性子系统分别设计自适应滑模控制器,进一步提高系统控制性能。基于李雅普诺夫理论对控制系统的稳定性和鲁棒性进行验证。与现有控制方法进行比较,仿真结果表明,所提控制策略具有更强的鲁棒性和优越性。最后,搭建原理样机进行实验对比,实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

一种用动态神经网络的月面科研站电源系统分析方法

月面科研站能源系统工况复杂,对其电源系统的稳定性分析十分重要,电源系统建模复杂,将其等效为黑箱子模型,通过输入和输出特性判断稳定性。提出了一种利用动态神经网络根据给定输入估计系统的预测输出,判断系统的稳定性。神经网络模型的训练数据集通过仿真生成,通过选择合适的神经网络结构和超参数,获得最佳的传递函数辨识结果。以Buck电路为例,采用MATLAB的Simulink模块进行仿真得到神经网络训练集,神经网络预测输出能贴近仿真输出,验证了该方法的有效性。

基于复合自适应的Buck变换器预设性能控制

针对Buck型变换器在复杂环境下发生负载波动时输出电压受扰的问题,提出了一种复合自适应预设性能控制方案以提升其控制效果。首先,利用自适应律对模型中包含负载项的非线性函数进行预测估计,同时通过在自适应律更新过程中构建并行估计模型获取预测误差,并将预测误差和跟踪误差融合以设计自适应参数更新律。然后,采用广义比例积分观测器来对剩余不确定性和外部扰动进行估计,并在控制律中进行补偿。最后,结合指令滤波反步控制和指定时间预设性能控制技术,提出了Buck型变换器复合自适应预设性能控制方案。所提出的方案保证了对负载波动的高精度预测,避免了在突发情况下输出电压超出预设函数范围,此外还证明了闭环控制系统中的信号收敛性。实验结果表明,复合自适应预设性能控制在负载突然减小的情况下系统最大偏离电压为0.376 V,相比于传统自适应反步控制的1.773 V减少了78.7%,验证了所提方案的有效性以及优越性。

基于虚拟阻抗的三相Buck整流器输入不平衡控制策略

三相输入电压不平衡时,传统双环控制三相Buck整流器的输出电压存在二倍频脉动,输入电流发生明显畸变,严重影响整流器的性能和可靠性。为抑制输出电压脉动和输入电流畸变,该文通过建立三相Buck整流器在两相静止坐标系下的等效电路模型及功率传输数学模型,分析输出电压二倍频脉动及输入电流畸变产生的机理,在此基础上提出一种基于虚拟阻抗的输入不平衡控制策略,最后通过仿真和1 kW的实验样机验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。

舰船脉冲功率负载Buck变换器自适应阻尼比控制方法

针对脉冲功率负载的周期性功率突变造成接口变换器输出电压瞬时跌落和持续扰动的问题,提出一种Buck变换器的自适应阻尼比控制方法,使得输出电压的响应性能能够直接通过阻尼比实现精确调节,不依赖于控制参数,且对输入电压扰动具有抑制作用。该方法通过引入类电压环消除了时变的输入和占空比的非线性饱和,建立输出电压与其参考值的单输入单输出二阶系统,将不确定负载扰动的控制问题转化为二阶系统的阻尼比控制问题。此外,在不影响电压调节性能的前提下,通过附加占空比调节实现并联变换器供电结构的均流控制。仿真和硬件在环实验结果表明,在脉冲功率负载的不同暂态过程,并联变换器均能够实现快速平滑的电压调节和输出电流均衡。

一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器

针对车载DC-DC变换器输入电压变化范围大的问题,提出一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器。该变换器包括飞跨电容(FC)型三电平Buck电路和LLC谐振电路两部分,FC三电平Buck电路输出端口与LLC谐振电路输入端口串联,通过控制FC三电平Buck电路占空比实现输出电压调节以适应宽输入电压范围,同时三电平结构降低了开关管电压应力、减小了损耗;LLC谐振电路传输负载所需全部功率,采用定频开环控制以获得高效率和稳定增益,同时实现了电气隔离。详细分析了组合式变换器的拓扑结构、直流增益以及工作效率,并与相同电路构成的级联式变换器进行了效率特性对比,根据组合式变换器的拓扑结构和工作特性,提出一种解耦控制策略,实现输出电压稳定和飞跨电容电压平衡,最后搭建了一个200~400 V输入、12 V/20 A输出的实验电路进行验证,实验结果表明所提组合式变换器的正确性和可行性。

一种低输入电流总谐波畸变率的三相Buck整流器不对称调制策略

传统空间矢量脉宽调制(SVPWM)三相Buck整流器没有考虑直流链电流纹波对输入电流的影响,且在扇区切换点处输入电流存在严重畸变,导致输入电流总谐波畸变率(THD)升高。该文分析直流链电流纹波对三相Buck整流器输入电流的影响,分析输入电流扇区切换点畸变产生的原因,提出一种新型不对称SVPWM策略,显著降低了三相Buck整流器的输入电流THD。最后,通过仿真和1 kW的实验样机验证了理论分析的正确性以及所提调制策略的有效性。