并联型有源电力滤波器输出电感选择的新方法

并联型有源电力滤波器(active power filter,APF)交流侧输出电感是连接APF与电网的桥梁,直接影响补偿电流的动态性能,对有源滤波器的补偿特性起着决定性作用。针对电压源并联型有源电力滤波器电感注入电路的拓扑,提出一种严格的基于谐波电流分析的并联型APF输出电感值确定方法。它能根据补偿目的的不同准确计算出最优的电感值。通过对电力系统中广泛存在的非线性整流负载的仿真,验证了该方法的正确性和可行性。

有源滤波器输出电感值的选取方法

基于两相电流控制模型 ,推导出了并联电压型有源滤波器输出电感值的估算公式 ,并通过对感性负载、对称整流负载及不对称整流负载等条件下补偿性能的仿真分析 ,验证了该公式的可行性 .采用本方法选取电感值 ,可获得良好的补偿性能 ,补偿后的总谐波畸变率小 ,动态补偿响应速度快 ,暂态过程冲击小 .

非最小相位的单电感双输出Buck-Boost变换器的复合控制方法

单电感双输出Buck-Boost (SIDO Buck-Boost)变换器在电感电流连续模式(CCM)下工作存在交叉影响以及非最小相位特性的问题.为了解决上述问题,提出基于储能函数的扩张状态观测器(ESO)的改进非奇异快速终端滑模(NFTSM)和自抗扰控制(ADRC)相结合的控制策略.设计主路控制器,对系统的传递函数进行拟合得到ADRC范式,利用该范式对主路进行解耦控制.设计支路控制器,采用改进型ESO对储能函数进行观测,并将观测值反馈补偿到非奇异快速终端滑模控制律中,达到支路解耦的效果.为了抑制滑模控制的抖振问题,对趋近律进行改进.利用Lyapunov理论证明系统稳定性.基于硬件在环(HIL)实验平台进行实验验证.结果表明,所提控制策略与PI控制策略以及基于ESO的滑模控制策略相比,在超调量和响应时间上具有较好的效果.

数字电流控制单电感双输出开关变换器研究

为解决单电感双输出(Single Inductor Dual Output,SIDO)开关变换器中电流型模拟控制技术存在的稳定性问题,提出了一种瞬态性能优异、稳定性强的数字电流控制技术。以工作于电感电流连续导电模式(Continuous Conduction Mode,CCM)的SIDO Buck变换器为研究对象,根据不同的脉宽调制模式,分别分析了数字电流控制技术前缘调制和后缘调制的工作原理,推导出两种调制模式下的控制算法。其次,建立采样数据模型,运用分岔图分析了输入、输出电压对数字电流控制SIDO Buck变换器稳定性的影响。研究结果表明:数字电流控制SIDO Buck变换器的负载瞬态响应速度快、输出支路交叉影响小;不同于电流型模拟控制技术,数字电流控制技术的两种调制模式中,前缘调制的稳定性不受输入、输出电压的影响,而后缘调制的稳定性受输入、输出电压的影响。最后通过实验结果验证了理论分析的正确性。

I^(2)控制单电感双输出Buck LED驱动电源交叉影响分析

单电感双输出(single-inductor dual-output,SIDO) Buck LED驱动电源有LED_(1)和LED_(2) 2条输出支路,2条输出支路间存在交叉影响.为减小工作于电感电流连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)的SIDO Buck LED驱动电源的输出交叉影响,提出电流-电流(current-current,I^(2))控制SIDO Buck LED驱动电源.基于SIDO Buck LED驱动电源的工作原理和开关状态,采用状态空间平均法建立状态空间平均模型和小信号模型;在此基础上,分析I^(2)控制SIDO Buck LED驱动电源的电路结构和工作原理;基于电感电流纹波和输出电流纹波,推导占空比的小信号表达式,获得交叉影响传递函数;通过交叉影响传递函数Bode图,对比分析其与电压控制SIDO Buck LED驱动电源输出支路间的交叉影响.研究结果表明:当电压控制SIDO Buck LED驱动电源LED_(1)输出支路的参考信号分别从1.6 V突变至0.8 V和从2.4 V突变至1.2 V时,其LED1输出支路对LED_(2)输出支路的交叉影响分别为0.250 A和0.365 A;反之,LED_(2)输出支路的参考信号分别从3.2 V突变至1.6 V和从2.4 V突变至1.2 V时,LED_(2)输出支路对LED1输出支路的交叉影响分别为0.06 A和0.04 A.参考信号相同变化条件下,I^(2)控制SIDO Buck LED驱动电源LED_(1)输出支路对LED_(2)输出支路的交叉影响分别为0.090 A和0.115 A,相反,LED_(2)输出支路对LED_(1)输出支路的交叉影响分别为0.030 A和0.015 A.相比电压控制SIDO Buck LED驱动电源,I^(2)控制SIDO Buck LED驱动电源减小了输出支路间的交叉影响.

基于扩张状态观测器的单电感双输出Buck变换器滑模解耦控制

针对单电感双输出Buck变换器输出支路在发生负载扰动时存在交叉影响严重、瞬态响应慢的问题,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的滑模解耦控制策略.首先考虑负载扰动问题,将系统模型转化为输出电压偏差模型,设计了主路ESO对负载扰动进行估计,并将干扰估计信息补偿到主路开关管的改进型趋近律反步滑模控制器.其次考虑支路耦合问题,将一支路依据自抗扰范式拟合为独立系统,其中支路耦合项和外界扰动被视作总扰动,设计了支路ESO对其进行估计,基于干扰估计信息和滑模控制算法在支路开关管构造了滑模自抗扰控制器.最后利用Lyapunov理论证明了主、支路控制器的闭环稳定性.仿真结果表明,该控制策略使得支路间的交叉影响显著减小,并提升了系统瞬态响应速度.

单电感双输出Buck-Boost变换器的非最小相位特性分析及控制策略

单电感双输出(SIDO)Buck-Boost变换器其中一条支路控制/输出的暂态数学模型含有右半平面零点(RHPZ),因此,该变换器属于非最小相位系统,这使得变换器参数设计及控制变得复杂。针对此问题,首先,利用状态空间平均法建立SIDO Buck-Boost变换器电感电流连续导电模式控制/输出的暂态数学模型,发现变换器先导通支路控制/输出的暂态数学模型含有RHPZ。分析该变换器占空比突变暂态过程可知,先导通支路的输出电压存在负调现象。其次,建立含有负调现象的支路的内动态数学模型。基于此,该文提出对存在负调现象的支路采用电流控制,另一支路采用电压控制的方法。然后,以工作模式和输出纹波电压为约束条件,得到电感和电容的参数设计方法,进而结合劳斯-赫尔维兹判据得到控制参数的取值范围,同时应用特征根灵敏度对控制参数进行优化。最后,搭建仿真与实验平台。仿真及实验结果表明,该文所提控制方法较传统电压控制具有更优的暂态性能,且有效地抑制了输出支路间的交叉影响。

单电感双输出Boost变换器的复合控制方案

为减小单电感双输出Boost变换器的交叉调节,提出一种复合控制方案。建立变换器仿射非线性数学模型,基于微分几何理论证明所建模型满足精确反馈线性化条件,构造出相应输出函数实现系统的线性化和解耦,进而分别为线性系统设计内模控制器和状态反馈控制器,并对满足控制系统稳定要求的反馈系数选取进行分析。与现有控制方法进行仿真比较,结果表明,所提控制方案具有更好的动态调节特性、更优的控制性能和更小的交叉调节。实验结果进一步验证了所提控制方案的可行性。

一种低交调单电感三输出升压型DC-DC变换器

设计了一种单电感三输出升压型DC-DC变换器。采用平均电流模,将各个输出支路电压进行线性相加,构成共模反馈信号,以进行环路补偿。提出一种开关电容采样网络,对输出电压进行采样,得到的采样电压与参考电压进行比较,从而校正输出电压与参考电压之间的直流偏移。为了抑制输出支路间的交调,提出一种新型能量控制逻辑电路,可实现单个电感充放电周期内各个输出支路的循环充电。该升压型变换器基于0.18μm CMOS工艺设计实现。仿真结果表明,在100 mA负载跳变下,前两路输出电压未受到交调影响,第三路受到的影响能够有效减小。

单电感双输出Buck变换器的微分平坦控制

为克服传统PI控制单电感双输出SIDO(single-inductor dual-output)开关变换器输出端存在交叉影响严重、暂态响应速度慢等问题,提出一种降维状态观测器补偿的微分平坦控制策略。首先根据微分平坦理论,分别设计支路开关管的电压控制和主开关管的电流控制,并对平坦输出量采用PI控制器进行误差反馈补偿。其次根据变换器的状态空间平均模型,对负载电流设计降维状态观测器,并将观测值作用于平坦系统,以提升系统暂态性能。最后搭建了实验平台进行验证,结果表明,所提控制具有更快的暂态响应速度,同时有效减小了交叉影响。

损耗最小化输出滤波电感的设计

在开关电源中,输出滤波电感有储能和平滑滤波输出电压的重要作用。传统设计方法是以临界连续电流为依据根据经验选取输出滤波电感值。这种方法的缺点是没有严格考虑输出电感上电流脉动对变换器的影响,而电感电流脉动量直接影响输出电压的质量、输出电感的制作及电源整体工作的可靠性。该文基于电感电流脉动对变换器的影响,提出了一种损耗最小化的输出电感设计方法,并以Buck变换器为例进行了实验验证。

单电感双输出CCM Buck变换器输出交叉影响分析

以工作于电感电流连续导电模式(continuous conduction mode,CM)的单电感双输出(single-inductor dual-output,IDO)Buck变换器为研究对象,采用时间平均等效电路方法,给出SIDO CCM Buck变换器的直流电压增益及系统的输出/控制、交叉影响、耦合等传递函数。在此基础上,得到一种分析SIDO CCM Buck变换器交叉影响的功率级小信号模型。论文建立电压控制SIDO CCM Buck变换器的闭环小信号模型,分析变换器两路输出负载变化对两路输出支路的交叉影响。最后,通过仿真和实验结果验证理论分析的正确性。

临界连续模式单电感双输出Buck-Boost功率因数校正变换器

针对传统两级结构的多路输出功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器成本高、体积大的问题,提出临界连续模式单电感双输出Buck-Boost PFC变换器及其控制策略,分析其工作特性,通过对电感的分时复用控制,实现了两个输出支路的独立控制。相对于传统两级结构的多路输出变换器,减少了电感与控制器的数量,降低了变换器的体积与成本,提高了变换器的效率。实验结果验证了变换器高效率、高功率因数、低总谐波失真及两个输出支路的高输出精度控制特性。

电流型脉冲序列控制单电感双输出Buck变换器

提出了一种电感电流断续工作模式(DCM)单电感双输出(SIDO)Buck变换器的电流型脉冲序列(PT)控制方法。为避免两路输出的交叉影响,应用时分复用理论,由时分复用信号决定两路输出中相应输出支路的调节,从而实现每一个输出支路的独立调节,避免了两个输出支路的交叉影响;通过在脉冲序列中加入空白脉冲,改善了变换器轻载时的瞬态响应及开关损耗;在控制回路中引入了电流环,实现主功率回路的逐周期限流。有别于传统电流型脉冲宽度调制(PWM)控制技术,电流型PT控制不需要误差放大器及相应的补偿网络,因此具有实现简单和瞬态响应快的优点。仿真与实验验证本文研究结果的正确性。

断续模式单电感双输出Buck功率因数校正变换器

传统多路输出功率因数校正(PFC)变换器多由前级PFC变换器级联多个DC-DC变换器的两级变换组成,成本高、体积大。提出了一种单级变换的单电感双输出(SIDO)Buck PFC变换器及其控制策略,并分析了其工作特性。通过对电感的分时复用控制,实现了两个输出支路的独立控制。电感电流工作在断续模式(DCM),消除了各路的交叉影响,相对于传统两级变换的多路输出PFC变换器,减少了控制器与电感的数量,降低了变换器的体积与成本,并提高了变换器的效率。实验结果验证了此变换器高效率、高功率因数以及两个输出支路的高输出准确度控制特性。

伪连续导电模式单电感双输出反激变换器

提出了一种工作于伪连续导电模式(PCCM)的单电感双输出(SIDO)反激变换器。与传统SIDO反激变换器相比,PCCM SIDO反激变换器增加了1个续流开关管和1个二极管,以降低功率开关管的电压应力。采用时分复用(TDM)技术实现了每条输出支路的独立调节,使得输出支路间不存在交叉影响,提高了变换器的带载能力。给出了PCCM SIDO反激变换器的控制策略。仿真和实验结果表明,所提PCCM SIDO反激变换器能够实现2路电压的稳定输出,不存在交叉影响。

临界连续模式单电感双输出Buck功率因数校正变换器

提出了一种临界连续模式(CRM)单电感双输出(SIDO)Buck功率因数校正(PFC)变换器及其控制策略,并分析了其工作特性。通过对电感的分时复用控制,实现了2个输出支路的独立控制。在输入电压接近各输出支路电压情况下,控制器限制了开关管的最小关断时间,解决了工作于CRM时电感在输入电流过零点附近难以分时复用控制的问题,并抑制了电感在输入电流过零点附近的复用频率。相对于传统两级结构的多路输出PFC变换器,CRM SIDO Buck PFC变换器减少了控制器与电感的数量,降低了变换器的体积与成本,并提高了变换器的效率。实验结果验证了所提变换器高效率、高功率因数以及2个输出支路的高输出精度控制特性。

恒定谷值电流型变频控制CCM单电感双输出Boost变换器建模与分析

以工作于电感电流连续导电模式(continuous conductionmode, CCM)的单电感双输出(single-inductor dual-output,SIDO)Boost变换器为研究对象,提出恒定谷值电流型(fixed valley current mode,FVCM)变频控制技术。详细分析FVCM变频控制CCMSIDOBoost变换器的工作原理及工作时序,得到开关频率与主电路参数以及谷值电流参考值的关系式。采用时间平均等效电路建模方法,推导CCM SIDO Boost变换器的控制–输出、控制–电感电流、交叉影响阻抗等传递函数。建立FVCM变频控制CCMSIDO Boost变换器的小信号模型,计算闭环输出阻抗和交叉影响阻抗传递函数,并从负载瞬态性能和交叉影响特性两方面,与传统的共模–差模电压型控制进行对比分析。研究结果表明:与共模–差模电压型控制相比,FVCM变频控制提高了CCMSIDOBoost变换器的瞬态响应速度,抑制了输出支路间的交叉影响。最后,通过仿真和实验验证理论分析的正确性。

电流型控制单电感双输出Buck变换器的动力学行为分析

通过对电流型控制单电感双输出(single-inductor dual-output,SIDO)Buck变换器工作原理的描述,推导了三个电感电流边界,建立了电流型控制SIDO Buck变换器的离散迭代映射模型。采用分岔图和李雅普诺夫指数,分析了以输入电压和输出电压为变化参数的分岔行为。通过稳定性分析,得到了电流型控制SIDO Buck变换器从稳定的周期1工作状态到不稳定工作状态,从电感电流连续导电模式到断续导电模式转移的分界线方程,并利用参数空间映射图对变换器的工作状态域进行了估计。研究结果表明:随着电路参数变化,电流型控制SIDO Buck变换器发生了倍周期分岔和混沌,且运行轨道与三个边界碰撞后产生不同的分岔路由,包括周期数倍增和工作模式转移。最后,建立了电流型控制SIDO Buck变换器的仿真和实验电路,时域仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

用于单电感双输出Buck变换器的PCPV控制方案

为减小工作于连续导电模式(continue conduction mode,CCM)的单电感双输出(single-inductor dualoutput,SIDO)Buck变换器的输出交叉影响,提出了峰值电流-峰值电压(peak-current and peak-voltage,PCPV)控制方法.分析了PCPV控制SIDO Buck变换器的电路结构和工作原理,利用电感伏秒平衡和电容安秒平衡原理推导了输出电压与输入电压的增益表达式,并采用状态空间平均方法,建立了PCPV控制SIDO Buck变换器的状态空间平均模型;在此基础上,建立了PCPV控制SIDO Buck变换器的小信号模型,并与传统峰值电流(peakcurrent-mode,PCM)控制SIDO Buck变换器对比分析交叉影响.研究结果表明:PCM控制SIDO Buck变换器输出电压较大的输出支路对输出电压较小的输出支路的交叉影响为300 mV,而PCPV控制SIDO Buck变换器输出电压较大的输出支路对输出电压较小的输出支路几乎无交叉影响;PCM控制SIDO Buck变换器的负载瞬态调节时间为12.5 ms,而PCPV控制SIDO Buck变换器的负载瞬态调节时间最大为10 ms.相比PCM控制SIDO Buck变换器,PCPV控制SIDO Buck变换器有效地减小了交叉影响,且提高了瞬态性能.最后通过实验结果验证了理论分析的正确性.