双闭环控制的改进二次型Boost变换器及稳定性分析

针对光伏电池输出电压低、波动范围大等问题,引入高增益DC/DC变换器,将光伏电池输出的低电压变换为稳定的直流侧高电压,从而满足光伏发电并网要求。在传统二次型Boost变换器的基础上,将开关电感与开关电容的拓扑相结合,提出改进二次型Boost变换器,并对其工作原理、关键器件波形进行分析,所提出变换器的输出电压增益比二次型Boost变换提高两倍,开关器件的电压应力降为输出电压的一半。为了保证输出电压的稳定,提出了电感电流内环、输出电压外环的双闭环控制策略,并利用小信号分析方法证明控制参数设计的合理性,搭建MATLAB/Simulink仿真模型,通过输入电压突变、输出电压突变、负载突变等三种工况来验证所提变换器的可行性。

低输入电感电流纹波二次型Boost PFC变换器

针对Boost功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器输入电感电流纹波大、电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)问题严重的缺点,提出将二次型Boost变换器应用于PFC变换器,简称二次型Boost PFC变换器,并分析其电路工作模态。当输入电感工作于连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)时,根据储能电感的工作模式(CCM和断续导电模式(discontinuous conduction mode,DCM)),将CCM二次型Boost PFC变换器分为CCM-CCM二次型Boost PFC变换器和CCM-DCM二次型Boost PFC变换器。分析不同交流输入电压等级下CCMBoost PFC变换器和二次型Boost PFC变换器的输入电感电流纹波和占空比变化范围。结果表明,与CCM Boost PFC变换器相比,CCM二次型Boost PFC变换器减小了输入电感电流纹波和占空比变化范围。最后,通过仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

峰值电流控制二次型Boost变换器

二次型Boost变换器因其具有宽输入电压范围特性而得到广泛关注。与传统Boost变换器相比,二次型Boost变换器含有两个LC滤波器,呈现四阶动力学特性。本文提出将二次型Boost变换器输入电感电流和输出电容电压作为反馈信号的峰值电流控制策略,简化了控制环路设计。实验结果验证了峰值电流控制二次型Boost变换器具有瞬态特性好、输出电压纹波小等优点。

二次型Boost变换器工作模式及输出电压纹波分析

根据二次型Boost变换器输入电感和储能电感的工作模式,划分了二次型Boost变换器的工作模式区域,并分析了不同能量传输模式时输出电压的纹波特性。根据储能电感电流谷值与输出电流的关系,分析了二次型Boost变换器在开关管关断期间的能量传输模式:完全电感供能模式(CISM)和不完全电感供能模式(IISM),得出了CISM与IISM的临界电感值和临界工作条件。当储能电感工作于连续导电模式(CCM)时,二次型Boost变换器既可以工作于CISM,也可以工作于IISM;当储能电感工作于不连续导电模式(DCM)时,二次型Boost变换器只能工作于IISM。对于给定输入电感、负载、电容和开关频率的二次型Boost变换器,当储能电感工作于CCM-CISM模式时,输出电压纹波最小,输出电压纹波仅由开关管导通期间输出电容电压的下降幅度决定,与储能电感无关;而当储能电感工作于DCM-IISM模式时,输出电压纹波最大,输出电压纹波随着储能电感的减小而增大。最后,通过试验装置验证了理论分析的正确性。

具有快动态响应和低输出电压纹波的二次型BoostPFC变换器

为了提高功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)变换器对负载变化的动态响应性能,同时消除输出电压二倍工频纹波,本文将二次型Boost变换器应用于PFC变换器中,并分析了其工作原理。根据主电路电感的工作模式,可以将二次型Boost PFC变换器的工作区域划分为四个区域:CCM-CCM、CCM-DCM、DCM-CCM和DCM-DCM,本论文重点研究了二次型DCM-DCM Boost PFC变换器的输出电压纹波特性及其动态性能。研究结果表明,与传统DCM Boost PFC变换器相比,二次型DCM-DCM Boost PFC变换器可消除输出电压的二倍工频纹波,降低输入电感电流峰值,且提高了负载动态响应速度,极大地降低了输出电压超调量与跌落量。最后,通过实验结果验证了理论分析的正确性。

三态伪连续导电模式二次型Boost变换器研究

当二次型Boost变换器的两个电感均工作于连续导电模式时,其控制-输出传递函数含有三个右半平面零点和两个谐振峰值点,增加了其控制环路补偿器的设计难度。本文提出了三态伪连续导电模式二次型Boost变换器,其输入电感L1工作于连续导电模式,中间电感L2工作于伪连续导电模式,从而获得一个额外的控制自由度,并实现两个控制环路的相互独立控制,既降低了控制环路补偿器的设计难度,又提高了变换器对负载变化的动态响应速度。最后,通过实验验证了理论分析的正确性。

具有快速动态响应的PCCM二次型Boost变换器

工作于电感电流连续导电模式(CCM)的二次型Boost变换器,其控制-输出小信号传递函数含有三个右半平面(RHP)零点和两个谐振峰值点,增加了控制环路补偿器的设计难度。提出了固定中间电感放电时间的伪连续导电模式(PCCM)二次型Boost变换器及其控制策略,其输入电感工作于CCM模式、中间电感工作于固定放电时间PCCM模式,消除了控制-输出小信号传递函数的两个RHP零点,在降低控制环路补偿器设计难度的同时,提高了动态响应速度,最后通过实验验证了理论分析的正确性。

二次型Boost PFC变换器参数设计及控制研究

二次型Boost PFC变换器仅使用一个开关管即可实现与占空比成平方关系的电压增益,实现宽输入电压,其在新能源领域具有广阔的发展前景。本文对二次型Boost PFC工作原理进行了详细分析,采用状态空间等效模型,对二次型Boost PFC变换器的工作模态进行分析,建立相应的扰动模型。根据两个电感电流,对二次型Boost PFC变换器的工作区域进行划分,为其参数设计和控制采样信号提供理论依据,为变换器的分析和应用奠定了基础。通过样机实验验证了理论的正确性。

变占空比控制二次型Boost功率因数校正变换器

与传统电流断续模式（DCM）Boost 功率因数校正（PFC）变换器相比，定占空比控制二次型DCM-DCM Boost PFC变换器的输出电压纹波明显减小，然而，其功率因数（PF）低于传统DCM Boost PFC变换器，并随输入电压的增大而下降。针对此问题，提出了变占空比控制二次型DCM-DCM Boost PFC变换器，研究了其PF和输出电压纹波的表达式，通过占空比的拟合，给出了相应的控制电路。在90～220V输入电压范围内，变占空比控制二次型DCM-DCM Boost PFC变换器的PF均接近于1，且具有较小的输入电感电流纹波和较低的输出电压纹波，实现了高功率因数与低输出电压纹波特性。实验结果验证了理论分析的正确性。

一种基于辅助网络的软开关二次型Boost高增益变换器

在基于减少冗余功率(R^2P^2)原理的二次型Boost变换器基础上,通过引入辅助网络单元,提出一种基于辅助网络的软开关二次型Boost高增益变换器。该变换器在减少功率传输损耗的同时,实现了全部开关管的零电压导通(ZVS)和输出二极管的零电流关断(ZCS),降低了开关器件的开关损耗。辅助网络与二次型Boost变换器输出串联,提高了变换器电压增益,减小了开关管电压应力。因此,可选取低电压等级、低导通电阻的MOSFET管,进一步提高变换器的效率,降低成本。研究变换器的工作原理和工作特性,分析开关管ZVS条件和占空比丢失问题,设计了一台100W的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性。

储能电感对二次型Boost PFC变换器的性能影响

相比于断续导电模式(DCM)Boost功率因数校正(PFC)变换器,输入电感L1和储能电感L_2均工作于DCM的二次型Boost PFC变换器的输出电压纹波明显减小,但其功率因数(PF)较低。首先分析了电感L1工作于DCM的二次型Boost PFC变换器PF值表达式,指出可通过适当增大变换器中间电容电压VC1以提高PF值。其次,研究了电感L_2取值对中间电容电压及其电压纹波的影响。研究结果表明,当L_2工作于DCM时,可以通过设置较大的电感L_2/L1比值,以实现变换器更高的功率因数和更低的输出电压纹波。仿真与实验结果验证了理论分析的正确性。

改进二次型Boost变换器的研究与分析

传统二次型Boost变换器具有较高的升压能力,但其开关器件的电压、电流应力较大,增加了电路的体积与成本。笔者在传统二次型Boost变换器的基础上,结合高增益Boost三端网络,提出改进二次型Boost变换器,并对其连续工作模式下的工作原理及各开关器件的电压、电流应力进行了分析。分析结果表明,改进二次型Boost变换器不仅升压能力有所提升,而且在输出电压相同的情况下,开关器件的电压、电流应力有所降低。最后,通过仿真分析验证了该变换器的正确性和可行性。

基于开关电感的混合二次型Boost DC/DC变换器

针对传统直流变换器升压能力不足的问题,在二次型Boost变换器的基础上,结合开关电感单元具有提高升压比的优点,提出了混合二次型Boost变换器.详细分析了混合二次型Boost DC/DC变换器输入电感L_1=L_2、L_1>L_2和L_1<L_2情况下的工作原理.与传统二次型Boost变换器相比,混合二次型Boost变换器升压比更高,输入电感较小.在理论研究基础上,通过搭建实验样机,验证了混合二次型Boost DC/DC变换器的可行性.

一种非隔离改进二次型Boost高增益DC-DC变换器

为克服二次型Boost变换器升压能力受限、开关应力大等问题,提出一种非隔离改进二次型Boost高增益DC-DC变换器。所提出的变换器具有两种拓扑结构。对两种拓扑结构的工作原理进行了分析,从理论上推导了电路拓扑的电压增益和开关应力,并与现有变换器进行比较。提出的变换器在提高输出增益的同时,还能降低开关应力、提高转换效率。在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,仿真结果验证了理论计算的正确性。搭建了样机,通过理论推导和样机试验结果的对比分析,验证了该变换器设计方案的可行性。

基于双耦合电感高增益二次型Boost变换器

为进一步提高非隔离DC-DC变换器的增益,降低开关管的电压应力,提出一种结合双耦合电感和二次型的非隔离高增益DC-DC变换器。所提变换器采用单开关管控制,降低了控制的复杂度;采用双耦合电感,有效地减少了二极管和电容的数量,并进一步提高了所提变换器的电压增益;复用输出电容吸收漏感能量,进一步提高了变换器的功率密度。本文中给出了变换器的主要工作波形,并详细推导了所提变换器CCM工作模式和DCM工作模式。最后,通过一台输入18 V、输出180 V、额定功率180 W的原理样机,验证了理论的正确性。

基于PCHD模型的二次型Boost变换器无源混合控制

为了提高二次型Boost变换器的性能,根据二次型Boost变换器的拓扑结构,建立了基于端口受控耗散哈密顿(port controlled hamiltonian with dissipation,PCHD)模型,提出了无源控制和PI控制相结合的无源混合控制策略。基于PCHD模型,采用互联和阻尼配置方法,设计了无源电流控制器;为了消除系统稳态误差,设计了电压外环PI控制器以提供无源电流控制器期望电流给定。仿真结果表明,无源混合控制的二次型Boost变换器有良好的静态和动态性能,所提的控制策略是可行的。

电流控制二次型Boost变换器的建模与设计

为拓宽DC-DC变换器的输入电压变化范围,二次型Boost变换器在新能源发电系统中得到了广泛关注,其数学建模对系统的设计与应用至关重要。鉴于此,通过引用脉冲波形积分法,建立了基于理想变压器的连续导电模式下二次型Boost变换器的功率级小信号模型,获得了输出电压、电感电流的数学表达式,导出了连续导电模式下峰值电流控制二次型Boos变换器的完整交流小信号模型。基于该模型,设计了控制环路,并通过了实验验证。

基于输入前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器研究

以二次型Boost变换器为研究对象,为解决开关频率随输入电压改变而改变的问题,提升二次型Boost变换器的负载瞬态性能,提出基于输入电压前馈的固定关断时间电容电流(Fixed OFF-Time Capacitor Current,CC-FOT)控制二次型Boost变换器,详细分析其工作原理。基于PSIM仿真软件,搭建仿真模型,与电压型(Voltage Mode,VM)控制、CC-FOT控制二次型Boost变换器对比分析电路的负载瞬态性能及抗输入电压扰动能力。研究结果表明:相比VM控制二次型Boost变换器,CC-FOT控制和引入输入电压前馈的CC-FOT控制方法有效提升了电路的负载瞬态性能;且与CC-FOT控制相比,引入输入电压前馈后的电路具有优良的抗输入电压扰动能力。最后,仿真结果验证了理论分析的正确性。

双开关二次型结构的耦合电感高增益DC-DC变换器

在能源危机和环境问题的背景下,高电压增益的DC-DC变换器成为利用可再生新能源不可或缺的环节。基于此,提出1种双开关二次型结构,使传统的二次型Boost变换器的电压增益得到有效提升,且降低了开关管的电流应力。结合开关电容和耦合电感,提出1种电压增益极高的双开关二次型结构耦合电感高增益DC-DC变换器。该变换器具有电压增益高、2个开关管同相、开关管和输出二极管电压应力低和多个二极管实现零电流关断的优点。详细分析了变换器的运行原理和稳态性能,包括电压增益推导、元器件电压电流应力等。制作了1款120 W样机,验证了理论分析的正确性和变换器的可行性。

电流控制二次型Boost变换器的动力学研究

通过对二次型Boost变换器开关状态的完整描述,推导了两个电感电流边界,建立了电流控制二次型Boost变换器的分段光滑迭代映射模型.对比分析了以输入电感电流或储能电感电流作为电流反馈量的非线性分岔行为.通过稳定性和工作模式分析,得到了电流控制二次型Boost变换器从稳定的周期1工作状态到次谐波振荡状态转移以及从电感电流不连续导电模式到连续导电模式转移的条件,并采用参数空间映射图,对二次型Boost变换器的工作状态域进行了估计.设计了实验电路,由实验结果证明了不同的参数变化有着不同的分岔路由,存在工作模式转移现象,电流控制二次型Boost变换器呈现复杂的动力学行为,实验结果验证了理论分析的正确性.