高频开关电源变换器的数字控制研究

随着电力电子技术的迅速发展和高频开关电源变换器在各类电子设备中应用的日益广泛,数字控制技术因其卓越的性能和高度的灵活性成为研究的热点。通过分析数字脉宽调制(Digital Pulse Width Modulation,DPWM)生成数字占空比信号时产生的问题,引出将模拟控制信号转换成数字占空比信号存在的局限,进而基于Boost变换器提出一种类比例-微分(Proportional-Derivative,PD)的模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller,FLC)。该数字控制系统可以直接生成占空比信号而不会导致极限环振荡,并通过实验证明了设计的控制器的有效性。高频开关电源变换器的数字控制研究旨在为电力电子领域提供更加精确、灵活及高效的控制方案,进一步推动高频开关电源变换器技术的发展。

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。

基于双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器最小回流功率分段优化控制

双向全桥DC-DC变换器以其重量轻、高功率密度、能量双向流动等优点成为直流微电网中不可或缺的一部分。但双向全桥DC-DC变换器在传统的单重移相控制下存在回流功率和电流应力等问题,尤其当输入电压和输出电压不匹配时,回流功率和电流应力会显著增加。针对输入电压和输出电压不匹配的情况,该文提出了一种双向全桥DC-DC变换器在双重移相下的最小回流功率控制策略。该控制策略通过对回流功率进行分段优化,得到了变换器在不同传输功率范围下的最优移相角。通过将所提控制策略和传统的双重移相控制进行对比分析,发现该文所提控制策略具有更小的回流功率和电流应力,提升了变换器的效率。最后基于所提控制策略搭建了实验样机,实验结果验证了控制策略的正确性和有效性。

分数阶移相全桥变换器的建模与优化控制

基于电路中的分抗元件具有非整数阶特性,利用分数阶微积分理论和状态空间平均法,对分数阶移相全桥变换器进行建模与优化控制分析。建立了移相全桥变换器的分数阶状态平均方程,研究电感和电容的分数阶特性对移相全桥变换器频域特性的影响。结合遗传算法的优点,得到满足误差绝对值积分的最优分数阶比例积分(PIλ)控制器参数与最优整数阶比例积分(PI)控制器参数,并搭建了分数阶移相全桥变换器的电路仿真模型与不同控制器的仿真模型,进行了不同控制器、不同工况和负载变化下电路仿真结果的比较。结果表明:相较于整数阶PI控制器,分数阶PIλ控制器能够提供更优的控制性能,使分数阶移相全桥变换器具有更快的响应速度、更好的稳态性能和更强的鲁棒性。

全桥LLC谐振变换器的积分滑模-PI混合控制

全桥LLC谐振变换器的PI控制存在响应慢和鲁棒性差的问题,滑模控制存在高频抖振问题。针对这些问题,提出了基于模糊规则切换的积分滑模-PI混合控制方法。首先,通过扩展函数描述法建立全桥LLC谐振变换器的大信号模型,利用输入输出反馈线性化设计滑模面;然后,利用扫频法验证PI控制设计的合理性;最后,经多次实验,确定模糊控制的最佳输入和输出隶属度函数,实现在瞬态时由滑模控制起主导作用,在稳态时仅使用PI控制的混合控制方法。在MATLAB/Simulink中进行仿真分析,仿真结果表明,所提控制方法不仅具有滑模控制的瞬态响应快、鲁棒性强的优点,还消除了高频抖振,具有良好的控制效果。

双有源全桥变换器无电流传感器鲁棒预测控制

该文以双有源全桥(DAB)DC-DC变换器为主要研究对象,针对传统比例积分控制动态响应慢及采用既有预测控制对量测噪声和参数敏感的缺陷,提出一种基于无电流传感器模型预测控制(CS-MPC)策略。首先构建双有源全桥DC-DC变换器的预测模型,分别针对变换器启动阶段与暂态过程提出基于模型预测控制(MPC)的动态优化策略;然后定量分析DAB变换器对模型参数和采样精度的敏感性,结合卡尔曼滤波算法构建其状态空间模型,在无电流传感器的情况下实现系统的鲁棒预测控制;最后在实验样机上通过实验验证所提方法的有效性。实验结果表明:与传统控制策略相比,所提方法能够实现低电流应力下的快速启动,且动态响应性能明显改善。此外,所提方法无需电流传感器数据,即对测量噪声脱敏;在参数变化下的鲁棒性能较传统预测控制显著提升。

双有源全桥变换器无模型预测控制策略

针对双有源全桥变换器因建模偏差与参数扰动等因素导致的系统控制性能下降问题,提出一种基于超局部的无模型预测控制策略。构建仅包含控制输入、输出和参数扰动项的超局部模型,降低模型参数依赖性;将未知扰动项集总扩张成一个新的状态变量,设计线性扩张状态观测器进行估计并补偿,提升系统鲁棒性;构建离散化预测方程和成本函数,得到最优控制移相比,实现移相控制。实验结果验证了该无模型预测控制方法的有效性。

数字控制DC-DC变换器改进离散迭代建模和稳定性分析

离散迭代模型是一种能精确描述数字控制变换器特性的工具,然而传统的离散模型通常计算复杂而且不够直观,不利于控制器的设计。该文对离散迭代模型进行合理近似,推导出数字控制DC-DC变换器在前沿和后沿调制下的二阶全局等效电路模型,解决了传统模型直观性和精确性之间的矛盾。该模型可以反映具有不同脉冲宽度调制方法的DC-DC变换器的稳态和动态行为。在等效电路的基础上,分析了数字控制的特性,推导出了z域传递函数,从而得到了不同调制方式下控制-输出的频率响应,并且分析了两种调制方式对系统稳定性的影响。此外,等效电路模型可以准确地跟踪详细开关电路的工作波形,并且对系统参数变化时系统的稳定边界做出精确预测。最后,搭建了DC-DC变换器的样机,验证了模型和理论分析的有效性。

基于数字控制的移相全桥ZCT变换器

基于对多种全桥零电流变换器的研究,提出一种新型的零电流转换(ZCT)PWM全桥DC/DC变换器.运用辅助电路的谐振电感实现主开关管的软开通,在全负载范围内实现所有有源开关管的零电流开关(ZCS)和输出整流管的软换流.采用ARM芯片LPC2214作为控制器,设计了变换器数字控制系统,成功研制了一台1 kW,25 kHz的软开关电源,并进行了电路试验.结果表明,基于该拓扑的数字控制PWM全桥变换器损耗小、成本低,变换器的最高效率超过了91%,具有较好的发展前景.

基于全桥结构全数字控制单级隔离PFC变换器

提出了一种适合中功率应用场合的功率校正电路的解决方案。采用单级隔离型全桥结构并结合传统Boost型功率因数校正(Power Factor Correction,简称PFC)的输入电感和RCD箝位电路作为主电路,融合基于数字信号处理器(Digital Signal Processing,简称DSP)的全数字控制方案,对中大功率单级隔离型PFC进行了研究。在应用主电路工作原理和小信号动态模型的基础上,分析了该模型的数字控制设计方法。所采用的双环全数字控制方案同时具有良好的动态响应和稳态调节特性,可消除变压器的偏磁现象。最后基于提出的拓扑及控制方案制作了3kW,110kHz的样机。实验结果表明,该变换器的满载功率因数达0.995,效率超过92%。

用于DC/DC全桥变换器的全数字式PWM控制器

讨论了一种基于EPROM存储的全数字式高频PWM调制器。该调制器占用微机时间很少 ,控制精度较高 ,电路结构简单 ,实现方便 ,适用于全桥DC/DC变换器各种控制方式。对该调制器的基本原理进行了分析 ,制做了一台实验样机。

基于数字控制的双向BUCK-BOOST变换器的研究

数字控制双向BUCK-BOOST变换器在电动车电驱动系统和车载充电系统中得到了广泛的应用并拥有良好的应用前景。设计了一款基于STM32单片机的数字控制双向BUCK-BOOST变换器。研究结果表明,在电压外环和电流内环的双闭环控制策略下,该变换器可满足稳态运行控制要求。采用数字控制的方式有望使得DC/DC变换器的控制与电机的控制能共享控制器资源,有利于实现它们在控制方法上的耦合,进一步提升电动车电机驱动系统控制的灵活度。

一种新型数字控制全桥DC/DC变换器的设计

传统的模拟控制DC/DC变换器,其控制方法单一,硬件电路结构复杂,因此极大地制约了电源效率的提高和电源硬件成本的缩减。本文提出了一种电源数字化控制方案,采用了一种先进的电路拓扑并结合ARM处理器设计了一种全数字控制方法。该方案可以有效地减小电源的体积,降低电源的成本,提高电源的效率。本文的零电压零电流变换器拓扑结构合理,参数设计正确,与预想的理论分析吻合,能够在较大的负载范围内实现超前桥臂的零电压开关和滞后桥臂的零电流开关。

全移相双有源全桥直流变换器的瞬态电流偏置抑制策略

针对双有源全桥(DAB)直流变换器在功率突变时产生的电流偏置问题,该文提出一种新的瞬态直流偏置抑制策略。首先,以基于全移相调制的双有源全桥直流变换器为研究对象,分析DAB变换器产生直流偏置的原因及危害。然后,在全局电感电流应力最优结果的基础上,对功率在四个工作区域突变时产生的瞬态直流偏置问题进行详细分析,推导各种电流突变情况下的直流偏置表达式,并据此提出一种新的过渡态引入方法,对于不同的功率突变状态可以得到统一的过渡移相角表达式,简化了控制过程。接着,根据所得过渡态结果,提出统一的载波调制方法,并对调制策略的适用性进行分析。最后,通过实验平台验证了所提方法可以有效消除功率突变时产生的电流偏置。

三电平双有源混合全桥DC-DC变换器最小回流功率控制

三电平双有源混合全桥(H-TLFB)DC-DC变换器通过引入三电平桥臂提高输入电压范围.针对该变换器在传统双重移相控制下具有较大的功率回流、较高的电流应力等问题,提出一种最小回流功率控制策略.首先分析H-TLFB DC-DC变换器功率传输特性,比较变换器在两种不同工作模式下回流功率值的大小,并根据回流功率与电压比、移相比、传输功率的数学关系,计算出回流功率达到最小时对应的最优移相比,并设计相应优化控制策略.与传统双重移相控制策略相比,最小回流功率控制策略下的回流功率可以在全功率传输范围内达到最小值,并且在一定的电压比范围内,回流功率、电流应力可以同时得到优化.最后,通过实验验证设计控制策略的正确性和可行性.

基于TMS320F28027的数字控制移相全桥DC/DC变换器设计

采用数字控制是未来电源的发展趋势。利用TI公司数字电源控制芯片TMS320F28027,设计了采用峰值电流控制的移相全桥零电压DC/DC变换器。采用原边加入钳位二极管和谐振电感的移相全桥主电路,简述了其抑制输出整流管电压尖峰的工作原理。在Matlab/Simulink环境下对建立的峰值电流模式控制系统模型进行了仿真,并设计了一台1.2kW的样机。仿真和实验结果表明,电源设计方案可行。

数字控制全桥LLC谐振变换器

目前,多电飞机技术(MEA)已日益成为飞机动力的主流方式。270V高压直流电源系统具有安全可靠、重量轻及节省电能等优点,成为现阶段飞机供电系统的发展方向。在航空中大功率直直变换的应用场合,全桥LLC谐振变换器是一种较理想的拓扑。传统模拟控制变换器控制方法单一、硬件电路复杂、极大地限制了电源效率的提高和电源成本的缩减,因此本文提出了一种数字控制方案,该方案有效地减小电源的体积,降低电源的成本,提高电源的效率。本文最后研制了一台输入为DC 270(1±10%)V,输出为DC 28V/500W的原理样机,实验结果验证了理论分析的正确性以及数字控制的可行性。

基于多目标优化的高频DAB变换器混合多重移相控制策略

随着双有源全桥(dual active bridge,DAB)变换器开关频率的提升,半导体器件的开关损耗占比越来越大,基于回流功率、电感电流峰值或有效值的单目标效率优化策略的优势逐渐丧失。为提升DAB变换器的高频工况运行效率,文中对DAB最优模态与优化目标进行定量分析与选择,提出一种可同时实现电感电流有效值准最优、宽范围软开通的移相策略,在该策略下轻重载工况所有开关管均可实现软开通,中载仅有两个开关管丢失软开通。为保证软开通的有效实现,根据电荷交换和死区时长两个条件推导实现软开通所需电流的统一表达式。再者,将软开通谐振过程线性化处理,所得简化表达式可与本文移相模态相结合,可实现任意开关管在任意模态下的软开通。最后,搭建6.6 k W/150 k Hz的碳化硅实验平台进行验证。实验结果表明,所研究的多目标优化策略可同时减小开通损耗与导通损耗,有效提升DAB变换器在高频工况下的运行效率。

移相全桥ZVZCS变换器的数字控制与实现

基于变压器原边串联饱和电感和隔直电容的移相全桥主电路,构建了电源的数字控制系统,实现ZVZCS软开关控制。采用平均电流型控制方式,电源具有良好的稳态和动态特性。平均电流型控制方式需要检测电感电流的平均值信号,论文根据电感电流与变压器原边电流的对应关系,利用电流互感器通过采样变压器原边电流得到电感电流的平均值信号,省去了霍尔元件。数字控制方式可以通过软件调整死区时间,避免了在模拟控制条件下,由于死区时间固定而在高压轻载时实现超前臂ZVS困难的问题。并且,提出了一种简单有效的数字实现方案,合理地利用了DSP芯片TMS320F2812的系统资源。

ZVS移相全桥变换器的数字控制器设计

以移相全桥变换器为控制对象,根据相关的电路对移相全桥变换器进行建模,先应用解析的方法设计模拟的PI控制器,并求出相应的参数,然后将其离散化,得到离散域中的数字PI控制器。随后对模拟域和数字域中的PI控制分别进行了仿真测试,并与原系统进行了比较。其分析和结果表明了该设计方法的可行性和有效性。