基于R-L分数阶定义的CCM Flyback变换器建模与分析

针对电容电感都为分数阶这一事实,利用分数阶微积分R-L定义和状态空间平均法,对工作在电感电流连续模式(CCM)下的分数阶Flyback变换器进行建模与分析。推导CCM分数阶Flyback变换器的静态工作点和小信号传递函数以及变换器工作在CCM模式下的条件。其次,讨论Caputo模型与R-L导数模型的区别,得出在R-L分数阶定义下直流静态工作点不仅与占空比相关,而且还与电感和电容的阶数以及负载有关。最后,在PSIM中搭建R-L分数阶CCM Flyback变换器电路模型,得到不同分数阶电感电容阶数下分数阶Flyback变换器输出电压和电感电流的仿真波形,通过仿真结果与理论计算结果对比,验证所建模型的正确性,得出分数阶电感电容的阶数会影响闭环控制器的设计和分数阶模型能更加精确地描述Flyback变换器的工作特性。

准谐振Flyback变换器分析与设计

设计了一台65 W输出的准谐振反激变换器(QR-Flyback)。分析了QR-Flyback的谷底开通原理与开关损耗减小机制,对比了系统在不同工况下的频率特点与损耗特征,总结了变频控制的优势与不足。结合NCP1380控制器的跳频控制功能,对系统各部分的硬件电路参数进行详细设计,有效提升了整机效率。最后,通过仿真和实验验证了理论分析与参数设计的可行性。

升压Flyback变换器的漏感能量吸收电路

首先分析Flyback变换器中漏感对主开关端电压和效率的影响,比较几种漏感能量吸收电路的优缺点,在此基础上提出并分析一种新型漏感能量吸收电路。在吸收漏感能量、消除主开关电压尖峰的同时,将吸收的能量提供给控制电路,提高了效率。并通过试验验证了这一电路的效果。

Flyback变换器的分数阶建模与控制研究

为了建立更准确的变换器模型并提高变换器的稳定性和抗干扰性,文中基于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(CCM)下Flyback变换器的分数阶数学模型和分数阶状态平均模型。首先,推导出直流稳态工作点、电感电流、电容电压的纹波和峰值表达式,并分析了Flyback变换器运行于CCM模式下的参数条件;其次,在建立的Flyback变换器分数阶数学模型基础上,结合滑模控制强鲁棒性的特性,提出分数阶终端滑模的控制策略,并设计给出了分数阶终端器的滑模面和控制率;最后,利用Simulink对Flyback变换器分数阶模型和分数阶滑模控制器进行仿真。结果表明,Flyback变换器的分数阶模型能更真实地反映变换器的动力学行为,设计的分数阶终端滑模控制器能有效跟随目标输出电压、电流并降低系统纹波,从而提高系统的稳定性和鲁棒性。

宽电压RCD钳位Flyback变换器的参数优化设计

分析了RCD钳位Flyback变换器的工作原理及能量传输过程特点,得出了励磁电感、滤波电容、吸收电阻以及钳位电容等参数在宽电压范围内的变化规律。针对分布式发电系统、UPS等特殊应用环境下,需要Flyback电源能够在宽电压范围内都能正常工作,因此考虑到全动态范围内的最恶劣工况,给出了RCD钳位Flyback变换器各元件参数的设计方法,使得变换器在全动态范围的工作性能都能符合设计指标要求。最后通过仿真和实验验证了宽电压范围参数设计的合理性。

实现二次升压功能的Forward和Flyback变换器

为了克服光伏/燃料电池发电系统前级输出电压低,确保光伏/燃料电池在并网前实现高电压增益,介绍了2种组合设计的直流变换器(Boost-Forward和Boost-Flyback)的设计原理。通过Or CAD Pspice软件对其进行建模和仿真,证明了这种设计原理的准确性和用于提高太阳能电池输出电压的可行性。通过对降低输入电流纹波、输出电压纹波和开关管电压应力进行仿真分析,实现电路参数的最优化设计。

新型升压Flyback变换器的漏感吸收电路

首先分析了flyback变换器中漏感对主开关端电压和效率的影响,比较了几种漏感能量吸收电路的优缺点,由此基础上提出并分析了一种新型漏感能量吸收电路.并通过试验验证了这一电路的效果.

基于有源钳位的Flyback变换器分析

在小功率电源系统中,特别是多路输出的电源系统中,反激式变换拓扑以其结构简单、所需元器件较少、调试方便、成本低、输入输出可电气隔离、稳压范围宽、易于多路输出等优点在小功率变换的反激式开关电源中得到了广泛应用。另外,采用有源钳位反激变换器除了能将变压器漏感上的能量反馈到输出,以提高电路的效率外,同时还具有电压钳位效果好,能减少开关管上的电压应力,且电路原边主开关和辅助开关都可以实现ZVS,可减少电路的开关损耗等优点。文中分析了隔离型有源钳位Flyback变换器的电路拓扑及其多路输出特性。

高增益软开关Forward-Flyback变换器

提出一种基于Forward与Flyback拓扑组合的高增益软开关直流变换器,适用于低输入电压、高输入电流的电动汽车、光伏发电系统等应用场合。Forward与Flyback变换单元并联输入串联输出,实现了高增益变换。变压器初级侧在开关导通和关断期间均向次级传递能量,提高了变压器的利用率。采用了准谐振控制,减小了变换器的开关损耗。详细分析了拓扑的工作原理及控制方法。最后,设计了一台250 W的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性。

一种高增益交错并联Boost-flyback变换器

交错并联Boost变换器具有低输入纹波电流、低输出纹波电压等优点,在新能源发电并网领域得到广泛应用。在交错并联Boost直流变换器电路拓扑的基础上,引入倍压单元和耦合电感反激电路单元,提出一种高升压增益DC/DC变换器。该变换器进一步提升电压增益,避免了极限占空比。利用倍压电容有效地吸收了漏感能量并传递至负载,抑制了开关管两端存在的电压尖峰,降低了开关管应力,因此可选取低电压等级导通电阻较小的MOSFET,且无需额外的吸收电路,降低了器件成本,提高了变换器效率。详细分析了变换器的工作原理与特性,进行了理论公式推导,分析了该变换器的器件应力及电路损耗,并通过制作一台100 W的实验样机证明了理论推导的正确性。

一种基于耦合电感的高增益软开关谐振变换器

该文提出了一种具有高增益、软开关的新型谐振变换器。该谐振变换器使用耦合电感来提高电压增益,升压比不仅取决于占空比,还取决于耦合电感的变比,具有高增益的优点。此外,由于采用了有源钳位技术,漏感中的能量可以被回收利用,用来对开关管的结电容充放电提供能量,从而实现软开关。由于采用了耦合电感,所提出的变换器可以在较低的开关管电压应力的情况下实现较高的输出电压,因此可以使用低导通电阻的低压器件,从而提升系统的效率。该文分析了该谐振变换器的工作原理,并推导了输出电压、关断电流应力等参数的解析表达式。在此基础上,从理论上分析了该变换器取得软开关的条件,并对该变换器的各个器件的电压电流应力进行分析,为器件选型提供了理论依据。最后,搭建1kW实验样机,针对该文提出的基于耦合电感的谐振变换器的高增益、软开关、低电压应力、高效率等性能进行了实验验证。通过实验得出所提出的拓扑可以在10倍增益的情况下达到最高97.5%的效率,表明所提拓扑的优越性。

跟网型变换器的小扰动同步稳定机理分析与致稳控制

弱电网下,跟网型变换器易出现因阻尼不足导致的小扰动同步失稳问题。为此,该文借鉴复转矩分析理论,计及复杂控制耦合,建立跟网型变换器的复转矩模型。量化多环控制耦合、线路阻抗、控制参数等因素对系统阻尼转矩的影响,从阻尼的角度揭示跟网型变换器的小扰动同步失稳机理。根据理论分析,提出一种基于相位补偿的锁相环阻尼重塑控制策略,通过补偿多环控制耦合引入的负阻尼,增强变换器的小扰动同步稳定性。最后,开展相应的仿真与实验,验证理论分析的正确性与改进控制策略的有效性。

一类三电平伪图腾柱无桥PFC变换器

针对传统二极管钳位型三电平整流器在单相电源前级功率校正(power factor correction,PFC)电路应用场景下全控开关器件数量多的问题,该文基于3种传统无桥PFC电路进行三电平电路拓扑设计,提出一类三电平伪图腾柱PFC电路(single-phase three-level pseudo totem-pole PFC circuit,STPT-PFC),该类三电平PFC具有双电感支路桥臂,两者相互配合工作为输入电流提供路径,在正负半周两电感支路桥臂工作于不同模态可有效降低分别流过两电感的电流;基于该类PFC的一个代表性电路,从工作电流路径过程、关键波形和调制脉冲分配等方面对其进行工作原理分析,并对其它电路进行电路特性总结,推导桥臂对地电压电平特性与开关脉冲分配的数学关系式。另外,该类STPT-PFC共有5种结构,结合该类STPT-PFC结构特点,提出统一区间判断条件的双层载波调制技术,该类STPT-PFC具有相同开关器件不同拓扑结构可采用同一调制方案的特点,便于该类调制技术移植。最后,基于STPT-PFC-I电路设计1台额定功率1 kW、直流输出电压400 V的实验样机,从稳态及动态两方面进行实验分析,实验结果验证所提出一类三电平伪图腾柱PFC电路的可行性和三电平统一双层调制方法的有效性。

面向数据中心48 V供电系统的混合型母线变换器及其高密度集成

该文提出适用于数据中心48 V供电系统的混合型母线变换器电路拓扑及其高密度集成方法,通过在开关电容变换器中嵌入自耦变压器和LLC谐振变换器,大幅增加开关电容变换器的降压比,且利用矩阵式变压器结构实现变换器输出电流能力的大幅提升。基于所提出的混合型母线变换器,进一步提出其高密度集成方法,综合采用磁集成、绕组集成等方式,实现变换器功率密度和效率的提升。研制40~60 V输入、变比8:1、输出电流100 A、开关频率1 MHz的八分之一砖模块,功率密度达到1.704 kW/in3,最高效率达到97.9%。

具有自驱动有源缓冲器的GaN基高效准谐振反激式功率变换器

提出了一种具有自驱动有源缓冲器的GaN基高效准谐振(QR)反激式功率变换器,以解决准谐振反激式功率变换器中开关管关断时电压过高的问题。电路以GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件为主开关管和同步整流器开关管,自驱动有源缓冲器由钳位电容和有源开关管组成。该变换器在主开关管关断期间将开关管的电压浪涌钳位为恒定电压,由于有源开关管驱动信号由变压器的次级侧电流控制,因此不需要单独的控制电路。为验证所提出的变换器和控制电路的有效性,搭建了一个60 W的AC-DC功率变换器,测试结果表明,主开关管的最大电压浪涌约为450 V,具有高达91.6%的能量转换效率。

一种双极性输出端口电压自平衡隔离型DC/DC变换器

隔离型DC/DC变换器通过多绕组变压器可方便地实现多路或双极性输出,但因交叉调整率问题,在负载不平衡时输出各端口电压存在较大偏差。针对该问题,该文基于反激变换器推导出一种双极性端口电压自平衡隔离型DC/DC变换器。所提方案结构简单、成本低,在不改变传统反激变换器驱动及控制电路设计的情况下能够较好的实现端口电压自平衡,且所提变换器结构具有可拓展性。文中首先详细阐述了所提变换器拓扑的推演过程,然后对变换器的工作原理、性能特点以及电压自平衡机理进行分析。最后,搭建了一台150 W的实验样机,验证了所提变换器理论分析的正确性和有效性。

一款高效率宽输入电压边界导通模式反激变换器

本文提出了一款高效率、宽输入电压的边界导通模式反激变换器结构。为了防止负载切换过程中芯片过压和欠压,提出了一种由电流调节电路(CRC)与自适应频率控制电路(AFCC)组成的新型模式切换环路,实现了芯片在不同模式之间的平滑切换,提高了负载的瞬态响应和转换效率;通过在环路中引入电流调节控制技术,减小了低纹波突发模式(LRBM)下的原边充电电流和输出最小负载电流,从而减小轻负载下的开关频率,降低功耗。基于0.18μmBCD工艺,实现了电路设计和版图设计,芯片面积为1.48×2.5mm^(2)。仿真结果表明,变换器在输入电压为3~32V、输出电压为5V时,轻、重负载切换过程中的输出电压瞬态响应最大变化为6%,峰值转换效率为88.6%。

基于开关电感的宽电压增益双向DC/DC变换器

此处提出了一种用于储能系统的基于开关电感的宽电压增益双向DC/DC变换器。该变换器在实现双向升降压的同时进一步扩大了双向变换器的电压增益,可以适应不同电压等级的储能电池;相同电压增益下功率器件占空比有效降低,进一步减小了输入电流纹波,有助于提高电池充电性能。分析了放电和充电两种工作模式的工作原理,并搭建实验样机进行验证。实验结果表明在输出电压稳定的工况下,该变换器放电模式可以实现0.5~5倍的电压增益,充电模式可以实现0.2~2倍的电压增益,证明了所提变换器的双向升降压能力和宽电压增益能力。

基于新型CD单元的两相交错并联高增益Boost变换器

为减少基于电容-二极管(CD)升压单元的两相交错并联高增益Boost变换器的CD单元数量,提升变换器电压增益,提出一种最后两级CD单元电容并联充电、串联供电的新型两相交错Boost变换器拓扑结构,进一步发挥CD单元的升压能力。分析新型3CD、4CD两相交错并联Boost变换器的拓扑演化过程,提出新型NCD两相交错并联Boost变换器的拓扑演化规律。以新型4CD两相交错并联Boost变换器为例,分析变换器工作原理,以及电感、电容寄生电阻对变换器电压增益的影响。最后在StarSim硬件在环实验平台搭建1 kW的新型4CD单元交错并联Boost变换器,验证该文所提拓扑的正确性。

基于反激变换器的电池充电系统设计

以具有结构简单、电气隔离等优点的反激变换器为电池充电电源,分析反激变换器电路的连续和断续模式工作原理,通过设计电压电流双闭环控制方法,实现电池的恒流充电模式和恒电压充电模式,也可实现两种充电模式的切换。实验结果证明了反激变换器的连续工作模式和断续工作模式的正确性,验证了应用于电池充电电源的可行性和有效性,切换时间小于1 ms,电压波动小于1 V。