Boost DC-DC变换器连续导电模式解析

DC-DC变换器是“电力电子技术基础”课程的重要入门变换器,优选教学内容并合理布局,有助于学生养成良好的学习和思维习惯。根据电感电流的连续性以及负载电阻供电来源的差异性,Boost DC-DC变换器具有多种工作模式,包括连续导电模式(CCM)、临界导电模式(CRM)和断续导电模式(DCM)。其中CCM又可分为电感完全供能模式(CCM-CISM)和电感不全供能模式(CCM-IISM)。在理论分析和推导CCM-CISM与CCM-CISM临界电感表达式基础上,对几种典型工作模式采用Matlab/Simulink进行仿真验证。所得结果有助于加深学生对Booost DC-DC变换器工作原理的理解,引导学生学会深度思考和自行仿真验证随时产生的设想。

基于R-L分数阶定义的PCCM Boost变换器建模与分析

研究了基于R-L分数阶定义的电感电流伪连续PCCM(pseudo-continuous conduction mode)Boost变换器模型,并由此导出了变换器的状态平均模型,然后推导出升压比,直流静态工作点,电感电流波纹以及输出电压波纹的表达式。结果表明,与基于Caputo分数阶定义下的变换器模型相应表达式比较,R-L分数阶定义下的直流静态工作点和升压比不仅与占空比相关,而且还与电感和电容的阶数有关,输出电压波纹的表达式不仅与分数阶电感的阶数α有关,与分数阶电容的阶数β也相关。电感和电容的阶数对状态变量的直流分量和分数阶PCCM Boost的稳态特性有很大影响。最后,在MATLAB/SIMULINK中搭建了R-L分数阶PCCM Boost变换器数学模型和电路模型,仿真结果显示R-L分数阶PCCM Boost变换器模型的分析结果比其他PCCM Boost模型的分析结果更加稳定,误差更小。

基于交错反激的微型逆变器不同工作模式控制策略的仿真研究

交错反激拓扑的微型逆变器的原边电感电流分为电感电流连续模式(CCM)、临界模式(BCM)、断续模式(DCM)3种。文章分析微型逆变器的工作原理,研究每种工作模式相对应的控制策略,并且全面计算了微型逆变器所使用的原器件电压电流应力、分析了反激变压器的功率损耗,对比了每种工作模式的优缺点,最后在Matlab软件中建立了300 W的仿真模型,对每种工作模式下的控制策略进行仿真验证,对微型逆变器的设计和工作模式的选择有非常好的参考价值。

基于分数阶的反激变换器精细建模

针对传统建模方法无法更加精确地描述反激变换器真实特性的问题,利用分数阶微积分和状态空间平均法,对工作在电感电流断续模式下的分数阶反激变换器进行建模与分析。建立了电感电流断续模式下分数阶反激变换器的平均状态模型,得到其直流平衡点和小信号传递函数,对比其与整数阶数学模型的差异;在Simulink中搭建分数阶反激变换器的状态空间模型和电路仿真模型,以及构造分数阶反激变换器的实物实验电路;通过状态空间模型、电路模型仿真和实验结果三者对比验证所推导的分数阶模型的正确性。结果表明,分数阶数学模型能反映电感电容阶数的变化,进行理论分析能更符合该变换器的实际工作情况。将分数阶微积分理论与状态空间平均法结合,可建立更为精确的反激变换器数学模型,为其他变换器的建模提供了参考。

电感复用型PFC变换器及其控制策略

提出一种复用电感导通模式MCM(multiplexing-inductor conduction mode)的概念,对MCM模式下的电感电流进行了详细分析。通过电感复用及MCM的概念,对Boost与Buck的级联结构进行变换,提出了一种电感复用型功率因数校正器MPFC(multiplexing-inductor power factor corrector)变换器的拓扑结构,这种结构减少了电感的数量,使变换器体积减小,节约了成本。MPFC的控制模式分为电流模控制与电压模控制,通过分析这2种控制方式的特点发现,电压模控制的MPFC更适合实际运用。仿真实验表明,MPFC变换器的输入功率因数与输出电压纹波符合一般的工业生产需求,证明了MPFC原理的正确性及实际应用的可实施性。

不同负载条件下DICM Cuk PFC变换器稳定性分析

重点分析了系统负载变化时,不连续电感电流模式Cuk功率因数校正PFC(power factor correction)变换器稳定性的变化情况。在变换器工作特性的基础上,根据谐波平衡法和Floquet理论分析,研究结果表明:当负载电阻变小时,即系统由轻载到重载变化时,系统发生了工频频率上的倍周期分岔。给出了系统发生倍周期分岔时的电阻,以及在输出电感、输入电压产生改变时和负载电阻共同构成的系统不稳定与稳定的边界区域图,基于输入电感电流-输出电压的相轨图和输出电压的谐波分析谱,更好地观察到系统的动力学行为。最后通过实验验证了理论分析的正确性。

静止同步串联补偿器抑制次同步谐振研究

针对静止同步串联补偿器(SSSC)常电抗模式下可能引起次同步谐振(SSR)的问题,提出了一种新的SSSC控制模式——电感模式.该控制模式补偿指令为电感,且可正可负,补偿的电抗与线路电抗随次同步频率同比例线性变化.理论和仿真对比分析了次同步频率范围内电感模式和常电抗模式的阻抗特性,证明了电感模式下SSSC不会与线路感抗发生谐振,有效提高线路阻抗,明显抑制次同步电流,消除了系统产生SSR的可能性.

DCM Cuk PFC变换器性能研究与验证

基于不连续模式Cuk变换器,研究了Cuk功率因数校正变换器在不连续电容电压模式和不连续电感电流模式下的工作特性。对Cuk功率因数校正变换器进行模态分析,得到稳态工作波形图,再根据稳态波形图推导出Cuk功率因数校正变换器各变量之间的关系表达式,进一步对不连续电容电压模式和不连续电感电流模式的性能进行比较,结果表明:不连续电容电压模式下,开关电压应力大,电流应力小,输入输出电流连续,且电流纹波小;不连续电感电流模式下,开关电压应力小,电流应力大,输出电压纹波小,更适用于轻载场合。最后使用数值仿真软件和搭建实验样机验证了以上理论分析的正确性。

升压型DC-DC开关变换器的混杂建模与控制研究

基于混杂系统理论,建立了升压型开关变换器的混杂自动机模型,使得开关变换器的控制简化为混杂自动机模型的边界选择问题。与传统的状态空间平均法和电路平均法相比,该模型中没有任何假设和线性近似,建模精度高,可以对电力电子电路进行更好的分析与控制。根据开关变换器电感最小电流与输出电流的比较,将电感电流连续模式细分为完全电感供能模式和不完全电感供能模式两种子模式,提出一种新的混杂控制策略,应用电路理论方法给出了理想变换器和考虑输出电容寄生电阻的混杂控制边界的综合方法和计算公式。数值结果和分析表明了混杂建模和控制策略的有效性。

电感电流连续模式下Boost变换器的分数阶建模与仿真分析

基于分数阶微积分理论以及实际电容和实际电感在本质上是分数阶的事实,建立电感电流连续模式下Boost变换器的分数阶数学模型以及分数阶状态平均模型并进行理论分析,给出Boost变换器运行于电感电流连续模式下的参数条件.最后,基于Matlab/Simulink软件建立运行于电感电流连续模式下Boost变换器的分数阶仿真模型,并进行数值仿真分析以验证分数阶建模与理论分析的正确性.

开关DC／DC变换器的统一离散模型

为了确切地描述DC/DC变换器的系统特性,指导变换器的控制策略设计,文中利用状态转移矩阵,建立了基于电感电流连续和不连续两种运行模式的Boost变换器统一离散模型。给出了根据系统当前状态及控制策略,计算每个开关周期中功率开关关断后电感电流持续时间的方法,给出了变换器运行模式的判断条件,确定了模型的系数矩阵。与实验结果进行比较,验证了统一离散模型的有效性。

反场构型平面薄膜电爆炸等离子体电流通道

Z箍缩负载初始化电流通道的形成建立过程、电流密度分布模式及其演化特征对研究等离子体动力学发展、分析等离子体不稳定性模式、开展磁流体数值模拟工作等具有重要意义.平面薄膜是研究这一问题中具有连续二维结构的理想构型.基于理想无限长平板假设下的反场薄膜-回流柱负载模型,通过理论对电感主导模式下的电流通道建立和演化过程、薄膜平面磁场分布特征和薄膜各部分受力特征进行了计算分析.通过开展对称型与非对称型下的平面薄膜电爆炸实验,以可见光分幅相机记录薄膜等离子体自辐射光分布为主要诊断手段开展了实验验证.结果显示,早期电流的建立与分布符合电感模型预期,薄膜等离子体表现出电流密度边缘聚集和钳状型等离子体发光形态.中后期图像显示发光强区会由薄膜边界向中心位置转移并导致峰状凸起型等离子体发光形态的演化,表明电流分配受等离子体发展影响,边界融蚀等离子体向心汇聚导致电流随之转移,最终造成电流通道的快速切换.

基于Z网络的升降压DC/DC变换器

基本的非隔离型升降压电路存在由二极管反向恢复带来的短路环问题.设计了一种基于Z网络的升降压DC/DC变换器,从电路结构上避免了短路环的存在,分析了Z网络和变换器的初始态阶跃响应,并设计了预充电电路,消除了变换器启动时的电压和电流尖峰,讨论了工作在电感电流连续模式(CCM,Current Continuous Mode)下的3种开关模态并分析了其工作原理,依照效率最优原则对升压和降压模式的开关模态进行简化,从而优化了变换器的控制方法,提出了一种通过合理选择电感电流纹波系数确保变换器工作在CCM模式下的方法,给出了各元器件的设计规则,并通过仿真和实验加以验证,结果与理论分析相吻合.

电流型脉冲序列控制Buck变换器工作在电感电流连续导电模式时的多周期行为

脉冲序列控制(PT)是一种离散的非线性开关变换器控制方法,具有瞬态响应快、无需补偿网络、控制电路实现简单等优点.根据控制脉冲的产生方式不同,脉冲序列控制可分为电压型脉冲序列控制(voltage-mode PT,VM-PT)和电流型脉冲序列控制(current-mode PT,CM-PT).研究表明,工作于电感电流连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)与工作于电感电流断续导电模式(discontinuous conduction mode)的VM-PT控制开关变换器的工作特性存在明显差别,VM-PT控制CCM开关变换器存在的低频振荡现象严重影响了其稳态及瞬态性能.目前,对CM-PT控制CCM开关变换器的工作特性还未见相关报道.研究了CM-PT控制CCM开关变换器的工作特性,对其控制参数以及稳定工作域进行了分析.分析结果表明,通过参数的合理设计,虽然可以避免低频振荡现象的发生以及开关管不能正常关断的问题,但存在变换器功率范围窄的缺点.最后针对这一缺点提出了一种改进的控制方法.

电动汽车双向阻抗源逆变器控制系统设计

分析了双向功率流阻抗源逆变器系统工作原理、脉冲调制方式。采用开关信号流图方法建立了统一的控制系统模型,从稳态直流模型推导出系统额定工作点,从动态小信号模型推导出系统传递函数。阻抗源逆变器控制系统是含有二维参数的非线性系统,对相互关联的2个控制变量(直通占空比D和调制系数M)进行动态解耦,对解耦系统设计了电压电流双环控制器以提高系统的动态性能和稳定程度,基于伯德图分析了控制系统的稳定性和动态特性。研制了一台55kVA双向功率流阻抗源逆变器,实验结果表明,系统具有优良性能,可以有效应用于电动汽车和可再生能源发电系统等领域。

基于多频脉冲序列控制Buck变换器的研究

针对开关变换器双频率控制技术存在的输出电压纹波大、输出功率范围窄等缺点,研究电压型多频率脉冲序列控制方法,该方法通过4组预设控制脉冲,实现开关变换器输出电压的调节。对多脉冲序列控制Buck变换器在电感电流连续导电模式CCM(Continuous Conduction Mode)和电感电流断续导电模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)下的工作特性进行分析,重点研究了在DCM模式下Buck变换器多频率控制。最后,分析了DCM Buck变换器工作在稳态时脉冲序列的组合方式,并通过实验验证了理论分析的正确性。

一款新颖的适用于Buck型芯片的反转保护电路

介绍一款可用于Buck型芯片的反转保护电路,本电路能精确监测电感电流,在电感电流过零时关断整流管,从而保护芯片。在0.6μm BiCOMS工艺下,Hspice仿真结果表明该电路能够实现反转保护的功能,并具有阈值电压精确,对电源不敏感的优点。

基于分数阶R-L定义的分数阶CCM Boost变换器建模及仿真分析

为了建立更加符合实际运行情况的DC-DC变换器模型,该文基于电感和电容本质上是分数阶的事实,采用分数阶微积分理论和状态空间平均法,建立了电感电流连续模式(Continuous conduction mode,CCM)下Boost变换器的分数阶数学模型及分数阶状态空间平均模型。根据分数阶Riemann-Liouville(R-L)定义对分数阶CCM Boost变换器进行了理论分析,推导了R-L定义下的直流静态工作点、升压比、电感电流纹波以及输出电压纹波的表达式,与Caputo定义下的表达式相比,R-L定义下直流静态工作点和升压比的表达式不仅与导通时间占空比相关还与分数阶电容和电感的阶数相关,输出电压纹波的表达式也存在较大差异。最后在MATLAB/SIMULINK中建立了分数阶CCM Boost变换器的仿真模型,仿真结果表明,采用R-L定义对分数阶CCM Boost变换器进行理论分析更加符合该变换器的实际工作情况。仿真结果验证了理论分析的正确性,所提方法可以推广到其他分数阶DC-DC变换器中。

基于双极性增益特性的无桥PFC变换器

传统Boost功率因数校正(PFC)变换器交流输入侧存在二极管整流桥,低压输入时其导通损耗大,因而效率较低。针对这一问题,研究一种无桥PFC变换器。该变换器由双极性增益升压变换器构成,不仅具有传统Boost变换器的升压功能,而且具有双极性增益特性,即对于正、负输入电压,均能得到正极性的直流输出电压,因此,该双极性增益升压变换器可直接应用于PFC变换器。搭建一台50W无桥PFC变换器实验样机,实验分析该变换器工作于电感电流导电断续(DCM)模式时的工作模态,研究正、负输入电压情况下的直流稳态特性,实验结果表明,该变换器具有良好的功率因素校正功能,电感数值小、控制电路简单、成本低廉。

基于DSP的全数字UPS逆变器设计

功率变换器的数字化实时控制是电力电子技术的一个重要发展方向。提出了一种新型的基于电感电流模式的双环数宇控制器,给出了详细的设计过程,仿真和实验结果验证了数字控制器设计的正确性。