三电平Buck变换器输出纹波电压畸变机理分析

交错控制三电平Buck变换器受功率开关器件寄生参数的影响,输出电压纹波及电感电流纹波不仅发生了畸变,且纹波电压大小和忽略寄生参数的纹波电压存在较大误差。因此,深入分析了交错控制三电平Buck变换器输出纹波电压畸变机理,建立了考虑功率开关器件寄生参数的电感电流纹波、输出纹波电压的数学模型。在此基础上进行了实验验证,实验结果表明,功率开关器件的寄生参数是导致输出纹波电压波形畸变以及与理想模型产生较大误差的主要原因,验证了理论分析的正确性。所得结论可为三电平Buck变换器的变换器参数设计提供理论指导。

高频双频Buck变换器平面集成磁件优化设计

针对目前开关器件和磁性元件性能不足导致双频Buck变换器的效率和功率密度低的问题,研究了一种高效高功率密度的双频Buck变换器。变换器将工作在连续导通(CCM)模式,采用解耦合的平面集成电感器完成系统磁元件的集成,结合磁件的集成方法、有限的PCB层数和变换器的特性给出双频Buck变换器的参数,然后,提出了一种双频Buck变换器平面磁件的设计方法,并完成系统磁元件的优化设计。最后,基于第3代半导体SiC器件以及平面集成磁件,设计了额定功率200 W、开关频率400 kHz的双频Buck变换器。结果表明:该变换器峰值效率将达到96.1%,功率密度为46.1 W/in^(3)(1 in=25.4 mm),验证了双频Buck变换器设计方法的正确性和有效性。

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。

自适应可调恒定导通时间Buck型直流电压变换器设计

为提高开关电源输出纹波电压、负载调整率、线性调整率和瞬态响应时间等性能指标,采用纹波控制的方法,研究出一款自适应可调恒定导通时间(adjustable-constant-on-time,ACOT)Buck型直流电压变换器。基于TSMC0.18μmCMOS工艺完成了电路设计,并用Cadence平台Spectre仿真器进行了仿真验证。结果表明:该电路的恒定导通时间可以精准灵活调节,纹波电压、线性调整率和瞬态响应时间均较低,与相关文献对比可知,本文设计在负载调整率上具有明显优势。

一种高降压比双输出Buck变换器的分析与设计

为解决传统单电感双输出SIDO(single-inductor dual-output)Buck变换器降压比低的问题,引入了二次型单元,提出一种高降压比双输出Buck变换器。对高降压比双输出Buck变换器的工作原理进行了深入分析,发现其存在4种工作模式,求出了变换器的电压增益表达式,得到了各个工作模式的临界电感,总结出了工作模式与电感和负载之间的关系。建立了各个工作模式的纹波电压解析式,并分析了纹波电压与电感的关系。以电感纹波电流和电容纹波电压为约束条件,获得了电感和电容的设计公式。搭建了实验平台,实验结果验证了理论分析的正确性。

流控型Buck变换器的动力学行为分析

针对光伏发电系统中电流控制型Buck变换器,利用不连续动力学理论分析了其非线性振荡行为.通过调节控制电路的电压幅值和直流激励电源值,给出碰撞边界的和时钟脉冲触发的参数分岔图,获得了电流控制型Buck变换器从稳定的周期1到混沌状态的参数节点.分别绘制周期和混沌运动的相轨迹和时序图,分析各子域内具有不同映射结构的系统类型.研究结果表明,流控制型Buck变换器在参数变化时其运动行为丰富,边界碰撞现象明显,观测到倍周期分岔和阵发混沌.通过分析映射类型,说明其边界的非线性振荡行为.

利用参考电压注入的Buck变换器电感电容估计

电路的元件参数,尤其是电感和电容值,严重影响着Buck变换器的控制性能。提出了一种参考电压脉冲注入法用于电感和电容的在线估计。为了提高Buck变换器中电感和电容值的估计精度,利用原稳态和新稳态构建满秩状态方程,在线推导算法所需寄生参数和负载电阻。研究基于电感伏秒特性和电容电荷平衡特性的精确离散时间变换器模型,为元件参数估计奠定了基础。通过给参考电压注入短脉冲信号,并使用PID控制器对电路中的电感电流和输出电压进行调节,建立了用于参数估计的瞬态和新稳态。利用瞬态中采样的电压和电感电流估计电感和电容值,避免了稳态时的收敛问题。基于提出的平均电感电流估计算法,电流采样频率降低至开关频率。最后,在Matlab/Simulink平台上进行了仿真验证,结果表明:即使在考虑实际噪声的情况下,电感和电容值的最大估计误差分别小于2%和4.2%;相较于其他参数估计算法,参考电压脉冲注入方法的引入有效提高了参数辨识的估计精度,有助于Buck变换器系统控制性能的提升。

基于AWF-DPID控制的同步Buck变换器研究

针对当前各种电子设备不断发展对电源管理芯片的精度、速度等要求越来越高的趋势,提出一种基于模糊逻辑的反计算法抗饱和双环PID(AWF-DPID)控制策略,实现同步Buck变换器的恒压限流功能。在双环PID(DPID)的基础上,设计一个二维模糊控制器,实时调整电压环输出参数,在电压环输出设计一个反算法抗积分饱和模块,从而调节Buck变换器的脉冲宽度,更高效精准地实现控制。变换器在10 kHz的频率下工作,给出变换器参数通过软件对不同控制策略进行仿真。结果表明,在实现恒压限流的相同控制目标下,AWF-DPID控制较其他控制响应更迅速、超调量更小稳态误差更小并且纹波系数更小;变输出指令下电压跟随性最好,有良好的动态特性。

峰值电流控制Buck变换器高频建模及结合遗传算法的控制器优化设计

峰值电流控制Buck变换器广泛应用于电源管理芯片。小信号建模是设计其控制器的关键。现有模型忽略电压外环引入的稳态控制信号纹波与小信号扰动延拓频谱对系统的影响,在高控制带宽场景下失效,从而无法指导控制器的设计。该文首先指出控制器设计决定了控制信号纹波类型,进而研究了可导型纹波对系统建模的影响;然后综合考虑电压、电流环导致的频谱耦合,得到精确的高频模型;最后基于高频模型,提出一种结合遗传算法的高带宽控制器优化设计方法。仿真与实验证明了该模型的精确性与设计方法的优越性。

带恒功率负载多电平Buck变换器逆解耦自适应滑模控制

针对带恒功率负载(CPL)多电平Buck变换器的强耦合问题及负阻抗特性引起的不稳定问题,提出一种逆解耦自适应滑模控制策略。建立带CPL多电平Buck变换器的非线性数学模型,基于逆系统方法证明系统的可逆性,并推导逆系统表达式,将模型线性化解耦为多个伪线性子系统,抵消负阻抗特性的影响。通过选取线性滑模面和指数趋近律以减弱滑模抖振,并将自适应机制引入到滑模控制中,进而为线性子系统分别设计自适应滑模控制器,进一步提高系统控制性能。基于李雅普诺夫理论对控制系统的稳定性和鲁棒性进行验证。与现有控制方法进行比较,仿真结果表明,所提控制策略具有更强的鲁棒性和优越性。最后,搭建原理样机进行实验对比,实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

基于复合自适应的Buck变换器预设性能控制

针对Buck型变换器在复杂环境下发生负载波动时输出电压受扰的问题,提出了一种复合自适应预设性能控制方案以提升其控制效果。首先,利用自适应律对模型中包含负载项的非线性函数进行预测估计,同时通过在自适应律更新过程中构建并行估计模型获取预测误差,并将预测误差和跟踪误差融合以设计自适应参数更新律。然后,采用广义比例积分观测器来对剩余不确定性和外部扰动进行估计,并在控制律中进行补偿。最后,结合指令滤波反步控制和指定时间预设性能控制技术,提出了Buck型变换器复合自适应预设性能控制方案。所提出的方案保证了对负载波动的高精度预测,避免了在突发情况下输出电压超出预设函数范围,此外还证明了闭环控制系统中的信号收敛性。实验结果表明,复合自适应预设性能控制在负载突然减小的情况下系统最大偏离电压为0.376 V,相比于传统自适应反步控制的1.773 V减少了78.7%,验证了所提方案的有效性以及优越性。

舰船脉冲功率负载Buck变换器自适应阻尼比控制方法

针对脉冲功率负载的周期性功率突变造成接口变换器输出电压瞬时跌落和持续扰动的问题,提出一种Buck变换器的自适应阻尼比控制方法,使得输出电压的响应性能能够直接通过阻尼比实现精确调节,不依赖于控制参数,且对输入电压扰动具有抑制作用。该方法通过引入类电压环消除了时变的输入和占空比的非线性饱和,建立输出电压与其参考值的单输入单输出二阶系统,将不确定负载扰动的控制问题转化为二阶系统的阻尼比控制问题。此外,在不影响电压调节性能的前提下,通过附加占空比调节实现并联变换器供电结构的均流控制。仿真和硬件在环实验结果表明,在脉冲功率负载的不同暂态过程,并联变换器均能够实现快速平滑的电压调节和输出电流均衡。

基于逆系统解耦的三电平Buck变换器反步滑模控制

多电平变换器因其可以降低开关管承受的电压应力、减小滤波电感和滤波电容体积,被广泛应用在直流微电网中。三电平Buck变换器的飞跨电容电压和输出电压存在耦合,是一个多输入多输出、强耦合的非线性系统。针对这一问题,提出一种逆系统解耦反步滑模控制方法。采用逆系统方法实现输出电压控制和飞跨电容电压控制的解耦,采用反步滑模法控制保证输出电压的稳定性和鲁棒性,通过状态反馈控制将飞跨电容电压平衡在输入电压的1/2处。仿真和实验结果表明,所提控制策略能使得飞跨电容电压和输出电压均具有良好的稳态和动态特性。

基于四开关升降压变换器的三模式设计

四开关升降压(four-switch buck-boost,FSBB)变换器具有宽范围电压输入的优势。由于开关频率高,变换器工作在降压(Buck)模式或者升压(Boost)模式下效率最高,但是在输入电压改变时,两种模式之间的切换会产生转换盲区。文中采用脉宽调制(pulse width modulation,PWM)技术,对传统的两模式控制方法加以改进,设计加入了第三种升降压(Buck-Boost)模式进行平滑过渡。实验结果表明,瞬时改变输入电压时,输出电压波形波动小,证明新的控制方法有效地解决了转换盲区问题,保证了输出电压的稳定。

一种适用于多场景的新型无变压器高降压比变换器

针对传统Buck变换器受最小占空比限制的影响,无法适用于高降压比场合的问题,提出了一种新型无变压器高降压DC-DC变换器。首先,详细地分析了所提变换器的工作模态和开关时序。其次,在控制层面,该变换器应用交错式脉宽调制的开关模式,不但增加了其带载能力,还极大减少了元器件的电压应力。对新型高降压比变换器的工作过程进行分析,同时在理论上进行了参数设计。最后,搭建500/26 V 430 W的样机进行实验,实验结果充分证明了理论的正确性和可行性。

基于Buck变换器的高速无刷直流电机控制

三相逆变桥PWM调制方式控制简单、易于实现,在无刷直流电机中应用较广,但PWM调制方式会导致电机损耗增大和非导通相绕组续流,造成电机发热和转矩波动增大,特别是在电机高速运行时,严重影响电机的安全,降低电机效率。鉴于此,研究了PWM调制方式对高速无刷直流电机的影响,并针对现有控制方式提出了改进方法,解决了高速无刷直流电机发热量大、效率低等问题。

Buck型单开关整合式功率因数校正变换器

传统的Buck功率因数校正PFC(power factor correction)变换器存在谐波电流大的缺点,限制了其应用范围。提出并分析了一种Buck型单开关整合式功率因数校正变换器。该变换器由一个Buck PFC变换器和一个Buck-Boost PFC变换器通过一个开关管整合而成,简化了控制;同时,采用恒导通时间控制,消除了Buck PFC变换器输入电流的死区;结合Buck和Buck-Boost变换器的优势,在全输入电压范围下可以实现高功率因数和高效率。介绍并分析了该变换器的电路结构、工作原理、稳态特性以及设计思路,最后,搭建了一台56 W的实验样机,验证了分析结果的正确性。

基于自适应非奇异终端滑模的Buck变换器控制

为了提高滑模控制下Buck变换器的控制性能并降低抖振,提出一种自适应非奇异终端滑模控制方法.首先,对Buck变换器进行建模与分析,得到存在扰动时的数学模型;其次,设计非奇异终端滑模面,进行控制器设计和稳定性分析,使得闭环系统在有限时间内收敛并避免控制奇异问题,同时利用自适应律得到尽量小且足够抑制扰动的动态控制增益以削弱抖振;最后,通过理论分析和仿真实验验证所提控制方法的有效性.结果表明:该控制方法可以在减弱控制抖振的同时使得Buck变换器的输出电压在有限时间内跟踪上参考电压;当Buck变换器中的负载电阻和输入电压突变时,所提方法亦能表现出良好的抗干扰能力.

基于自适应超螺旋滑模观测器的Buck变换器无模型预测控制

针对三相交错并联Buck变换器在外部干扰下影响系统鲁棒性和动态性能的问题,本文提出一种基于自适应超螺旋滑模观测器的无模型预测控制策略。首先,建立超局部模型代替原有的数学模型,设计自适应超螺旋滑模观测器估计超局部模型中的动态部分。然后,引入最小二乘法预测电流误差趋势,动态调整观测器增益矩阵。最后,构建离散方程,设计代价函数,实现无模型预测控制。实验结果验证了所提算法可以有效抑制因外部扰动产生的稳态误差,且相较于传统无模型预测控制具有更好的鲁棒性和动态性能。

基于BUCK变换器非爆炸本安评价系统研究

应用在煤矿等危险环境下开关变换器必须满足防爆要求,本安型变换器必须在GB 3836标准的爆炸试验平台测试其是否满足输出本安的要求,这种方法耗时过长、不能直接指导本安电路的设计与制造。为了方便评价BUCK变换器的输出本安性能,以电容电路最小点燃电压曲线的数值拟合为依据,建立了输出本安性能评价系统。利用能量等效原理将BUCK电路等效变换为电容电路,并采用最小二乘法对电容电路的最小点燃曲线进行拟合,实现了最小点燃曲线的数值化;其次,利用仿真软件搭建了可以通过界面显示的本安判据结果的评价系统。最终采用2组实验结果对本安评价系统进行测试,验证了所搭建本安评价系统的可行性。