基于多相交错技术的电容器充电电源设计

在脉冲功率系统中,大容量高压电容器负责储能,具有重要作用。电容器充电电源需要具备输出宽范围、抗负载短路和过压过流保护等基本功能。在快速充电场景中,充电功率的提高进一步增加了器件应力方面的要求。本文针对大容量高压电容器快速充电的需求,设计了一种两级式级联电源。采用多相交错并联技术降低器件应力,引入STM32G4来进行数字控制和保护。通过理论验证、样机设计和软件仿真,证明设计方案满足电容器充电的基本需求同时有效降低器件应力,方便器件选型。

基于TCM控制的多相交错并联Buck/Boost软开关变换器的变频范围优化方法

多相交错并联Buck/Boost变换器采用三角电流模式控制实现软开关时,存在随负载变化开关频率变化范围过宽的问题。文中提出一种并联桥臂的退出机制,在不同负载下实时动态增减并联桥臂的运行数目,可以有效解决开关频率变化范围过宽带来的驱动电路和滤波器设计复杂、高频时关断损耗高以及PWM控制精度低等问题。文中基于不同桥臂数目下开关频率的变化曲线和损耗模型确定切换电流点以及桥臂数目的分配方案。为避免开关器件承受不均匀的热应力,进一步基于温度参量提出桥臂的投切顺序和轻载时桥臂交替运行的方案。通过搭建一台6相交错并联12kW实验样机对该方法进行验证,仿真和实验结果都表明了所提优化方法的有效性。

一种改进的多相交错buck变换器的滑模变结构控制器设计

滑模变结构控制主要应用于线性或非线性、集中参数及非集中参数、集中控制及离散控制等,以其鲁棒性强,稳态范围宽,动态响应快等特点而引入到开关电源控制中。本文对低压大电流DC-DC变换器的主要拓扑结构-多相交错buck变换器进行了滑模算法分析,并根据它的特性,选择了适当的滑模面;在研究了滑模性能后,为进一步改善交错信号产生原理,对滑模面进行了改进,得到了可以自动交错的多相控制信号;当电感寄生参数DCR不均衡时,提出了占空比补偿的方式,从而改善了各相电感之间的电流平衡。通过仿真分析,得到很好的均流及动态特性。

基于多相交错技术Buck变换器的设计

以一个四相交错并联Buck变换器为设计实例,详细介绍了多相交错Buck变换器系统结构,Buck变换器所用峰值电流模式原理以及环路补偿的方法。测试结果表明,变换器在瞬变载荷下,环路响应速度快,无振铃现象,输出电压稳定且纹波电压小,证明了多相交错技术的可行性和先进性。

基于FPGA的四相交错并联磁集成Buck变换器研究

在负载变化范围较小的前提下,为提高Buck变换器输出电压精度和电压纹波,在传统Buck变换器拓扑结构基础上,引入多相交错并联磁集成技术。详细分析磁集成条件下,变换器在占空比0-1范围内的相电感电流纹波、四相电感总输出电流纹波、电压纹波与磁耦合系数的关系,确定磁集成变换器占空比与磁耦合系数的最佳选择范围。提出磁集成变换器小信号建模一般方法,并设计出基于FPGA的数字控制器。制作四相交错并联磁集成Buck变换器实验样机,通过实验验证了理论分析的正确性。

交错并联双向直流变换器的一种新型相频控制策略

为解决多相DC/DC变换器轻载工作效率低的问题,提出了一种用于多相交错并联DC/DC变换器的相频结合的控制方式,该控制方式能够有效提高变换器的中轻载效率。多相交错并联DC/DC变换器采取减少工作相数的方式降低开关管损耗,提高一定负载范围内的效率。在PFM频率控制技术的基础上,通过多频控制技术,提高变换器的轻载效率。而针对更轻负载变换器采取PSM频率控制技术,提高变换器的能量传输效率。相频控制的结合应用能够拓宽变换器的高效运行区间,提高变换器全负载范围内的效率。最后,通过实验验证了理论推导的正确性。

一种多相DC-DC数字控制器的设计

分析了多相DC-DC变换器的均流环路小信号动态特性以及极限环振荡条件,提出一种基于平均电流的数字均流技术,并据此实现了一种多相DC-DC数字控制器。采用基于同步设计的均流控制电路和数字脉宽调制器实现电流均衡和相位交错。该多相DC-DC数字控制器芯片基于0.18μm CMOS工艺设计。仿真结果表明,在10~20 A阶跃负载电流下,输出过冲/下冲电压在20 mV以内,开关频率在0.5 MHz~2 MHz范围内可调整,均流误差从20.8%减小到5%以下。

基于多相DC-DC变换器的直流备用均衡系统研究

直流备用电源是保证变电站供电不间断性的重要设备。现阶段,由于直流电源长时间处于闲置或浮充状态,维护周期较长,导致其存在部分单体放电能力弱的问题,在发生故障时的应急可靠性无法得到保证。针对上述问题,设计了一种适用于大电流应急均衡场景的多相交错式双向DC-DC变换器拓扑。分析了拓扑的工作原理,通过Matlab中的Simulink建模仿真,确保均衡电路的可行性。搭建主动均衡电路平台对12 V/100 Ah直流电源系统进行均衡测试,在系统输出电流为100 A时,均衡速度与效率均能够满足系统需求。结果表明,该主动均衡系统有助于改善大电流备用场景中的均衡效果,延长蓄电池寿命,解决了变电站直流电源的可靠性问题。

一款48V八相交错并联Buck/Boost变换器的设计与分析

为了有效缓解能源短缺和环境污染的压力,48V轻度混合动力系统逐渐成为汽车行业研究热点之一。48V双向DC/DC变换器负责在48V轻度混合动力系统内转移能量,随着其输出功率的增加,传统双向Buck/Boost变换器的主要元器件实际可选范围小。根据多相交错并联双向Buck/Boost变换器工作原理及主要元器件实际市场情况,设计开发了一款48V八相交错并联双向DC/DC变换器。实际样机的工作效率测试结果与理论数据十分接近,充分验证了48V八相交错并联双向Buck/Boost变换器的设计及分析的正确性,研究成果能够满足整车企业对48V双向DC/DC变换器提出的功能需求及设计指标,具有一定的实际应用价值。

带有源浮充平台的新型电压调整模块

多相交错型同步整流降压式变换器广泛地应用于微处理器电压调整模块(voltage regulator module,VRM)设计中。针对基本Buck变换器在输入、输出电压相差悬殊时,占空比过小问题,提出了一种新型电压调整模块——带有源浮充平台Buck变换器。该文对新拓扑进行了稳态和动态分析,并对拓扑结构进行了探讨。与传统两相交错型同步整流Buck变换器实验结果对比表明,由于新拓扑在基本Buck变换器中加入了有源浮充平台单元,不仅具有大变比的电压转换能力和实现电感电流的交错并联,而且无需采取任何均流措施实现自动均衡各相电感电流,简化了控制电路。同时新拓扑具有开关应力小,效率高的特点。

新型电压调整模块——带有源浮充平台的Buck变换器

针对基本Buck变换器在输入、输出电压相差悬殊时占空比过小问题,提出了一种新型电压调整模块——带有源浮充平台Buck变换器。该拓扑在基本Buck变换器中加入了有源浮充平台单元,不仅具有大变比的电压转换能力,输出电感电流的交错并联,而且具有自动均衡各相电感电流的能力,无需采取任何均流措施,具有控制电路简化、开关应力小和效率高等特点。对新拓扑进行了详细的稳态和动态分析,仿真和实验结果证明了对新拓扑理论分析的正确性。

光储联合运行模式下的储能变流器及控制策略研究

储能设备作为微电网不可或缺的部分,起到平滑功率波动,孤网运行电压支撑的作用。采用多相交错式结构搭建储能变流器,联合光伏发电系统建立微电网模型,分析了多相交错式变流器的优越性能以及参与微网运行的控制策略,最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证了控制策略的可行性。

一种基于损失电压分析的开关电容功率转换器静态模型

介绍了一种适用于多相交错开关电容功率转换器的静态模型。分析了电容与电容之间的电荷传递行为,将开关电容功率转换器中的电荷再分配损耗和开关导通损耗等价地描述为电荷传递子过程的电压损失。该模型可以简便、准确地描述任意开关频率下开关电容功率转换器的等效输出电阻。同时,运用了一种新的“比例电流近似”方法,建立了带电流负载时的电荷传递模型,用以描述和分析负载和输出去耦电容对电容功率转换器静态特性的影响。相比于传统模型,提出的模型在中等开关频率下能准确地描述开关电容功率转换器的静态特性,同时能准确地描述多相交错控制中开关电容功率转换器的输出电压纹波。

高性能FPGA核电压的数字电源设计

随着芯片制程工艺的快速发展,超大集成门电路的FPGA广泛应用于通信、医疗、航天、航空等领域。现代FPGA的供电电源尤其是核电压的供电设计要求非常高,且在负载电流快速变化的条件下仍需要满足非常高的输出电压精度。相比传统的模拟类电源控制芯片,数字控制的电源芯片具有方便的环路设计,输出电压控制精度高,兼具PMBus电源管理系统的优点。分析了XILINX公司当代主流高性能FPGA核电压的参数要求,用数字控制芯片UCD9248设计满足要求的POL电源。

基于Boost拓扑的燃料电池阻抗测量激励源设计

在社会经济快速发展的今天,人类对能源的需求也日益增长。然而,传统化石能源的大量使用引发了严重的环境污染和能源紧缺问题。目前,燃料电池已经在部分领域得到了应用,但低成本、长寿命仍然是燃料电池商业化面临的瓶颈问题。由于燃料电池结构的特殊性,大部分燃料电池的特征参数无法通过直接测量获得。燃料电池的电化学阻抗谱包含了丰富的电池状态信息,可用于燃料电池性能研究、状态评估和故障诊断等应用,因而得到了广泛的关注和研究。电化学阻抗谱技术对燃料电池的故障诊断具有重要意义,但需要对燃料电池施加频率,幅值可控的交变激励。该文分析了多种激励源方案,针对某燃料电池测试台架需求,采用了多相交错并联Boost拓扑进行设计,对主要元件进行了参数计算和选型。利用MATLAB Simulink对DC/DC变换器进行建模仿真,验证了设计的有效性和可行性。制作了一台激励源样机,对样机的测试显示,输出电流波形失真较小,交变电流幅值误差小于2.5%,电流纹波幅值达到设计要求。

三种具有快速动态响应的VRM拓扑分析比较

本文给出了三种具有快速动态响应速度的VRM拓扑:多相交错Buck拓扑、采用步进电感的变换器拓扑、混合供电模式拓扑。并分析了它们各自的设计目标、工作原理.以及各自的优缺点。