94GHz TE_(02)模回旋管Vlasov模式变换器的设计与模拟

该文研究并设计了一个由Vlasov阶梯型开口辐射器、椭圆面反射器和抛物面反射器组成的TE02模回旋管准光模式变换器。首先采用几何光学研究了阶梯型开口辐射器、椭圆面反射器和抛物面反射器的具体形状,再利用矢量绕射理论分析了其工作过程,最后结合94 GHz TE02模回旋管的具体参数,编写仿真程序详细讨论了工作模式在此模式变换器中的变换过程。模拟结果表明,94 GHz回旋管中的TE02模在输出窗处被转换为能量集中的准高斯波束,转换效率为78.35%。

W波段边廊模回旋管Vlasov模式变换器的辐射场研究

采用几何光学模型详细研究了边廊模回旋管中Vlasov模式变换器的工作原理,利用等效像源模型结合矢量绕射理论分析了通过此模式变换器的辐射场.考虑W波段边廊模回旋管的具体参数,通过数值计算,讨论了通过Vlasov模式变换器后辐射波束的场分布特性.结果表明,Vlasov模式变换器将回旋管中的高阶边廊模式转换为自由空间的高斯模式,且远场的高斯场型较近场更好.

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%。

Super-Boost变换器的工作模式及输出纹波电压分析

Super-Boost变换器代替传统的充、放电模块可大大减小电源的质量和体积,提高其功率密度,因此在空间电力系统中具有广阔的应用前景。但由于Super-Boost变换器有多个功率元件,且存在电感电流反向流动特性,导致其供能模式及输出纹波电压较传统Boost变换器复杂。为了给Super-Boost变换器的分析和设计提供正确的理论指导,对Super-Boost变换器供能模式及输出纹波电压进行了深入研究。研究发现,电感L_(1)和L_(2)均存在连续导电模式、伪连续导电模式和伪断续导电模式等工作模式,建立各工作模式的临界电感和输出纹波电压解析数学模型,探讨峰值电流与电感间的关系,得到了满足设计要求的最小电容和最小电感,据此给出了变换器参数设计方法,实验结果验证了理论分析的正确性。

基于能量模型的临界导通模式Boost变换器软开关方法

在变换器高频化发展的趋势中,功率器件的软开关实现对变换效率的影响更加突出。无辅助电路的临界导通工作模式下,Boost变换器主开关管在特定增益下无法实现软开关。为此,该文提出一种能量模型及相应的软开关实现方法。首先,建立死区前后储能元件能量变化的数学模型。然后,结合死区起止时刻的能量平衡方程,研究软开关无法实现的电路机理。在此基础上,考虑开关管输出电容非线性特征,提出软开关实现方法,避免了复杂谐振过程的时域精确建模,提高软开关实现的准确性。最后,搭建500W实验样机进行实验,结果表明,相较于对谐振过程建模的传统时域模型,所提方法将实际开通电压降低47%,使峰值变换效率提升0.4%,进而验证了其有效性。

限制调频范围的不对称多模式宽输出LLC变换器

频率控制的传统LLC谐振变换器往往受限于开关频率的有效调节范围,难以实现宽输出电压范围,为此,研究了一种限制调频范围的不对称多模式宽输出LLC谐振变换器。采用双谐振腔且对应两变压器变比不同的不对称结构,能够根据原边开关组合的不同,使得双谐振腔分别工作在单半桥、双半桥和半桥+全桥3种不同的模式,从而获得3种不同的电压增益,并且保证每种模式之间归一化增益调节范围不超过1.5,可以在窄开关频率范围内实现宽输出电压范围。建立300 W的实验样机,验证了所提变换器可实现1~3倍的宽输出电压范围,并且实现了原边开关管的零电压开通和副边二极管的零电流关断,具有良好的软开关性能,验证了变换器的可行性。

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。

一种多模式宽输出三桥臂DC-DC变换器

针对传统LLC谐振变换器重载工作时电压增益低,难以实现宽范围输出,同时低增益工作时开关频率高,开关管损耗大、电路效率低的问题,结合全桥LLC拓扑结构和线性-谐振(L-R)调制方法,提出一种多模式宽输出三桥臂DC-DC变换器。所提变换器在全桥LLC变换器的基础上增加一组L桥臂,通过将谐振电感复用为储能电感,在谐振传递能量前对谐振腔预先储能,从而提高传统谐振模式的电压增益。所提变换器采用脉冲宽度调制-脉冲频率调制(PWM-PFM)策略,具有高、中和低3种电压增益模式,拓宽了输出电压范围,且具有在全负载范围内软开关、环流小的优点。详细介绍了3种模式下变换器的工作原理,利用时域法推出增益公式,并对器件参数和闭环控制方法进行设计,最后通过搭建一台输入400 V,输出125~500 V的实验样机验证了理论的可行性。

提高双有源桥变换器动态性能的预测电流模式控制

提出一种预测电流模式控制算法,以提高双有源桥变换器在负载切换时的动态性能。首先,分析了双有源桥变换器开关周期内的电压、电流波形,推导出预测方程,在下一控制周期立即根据预测方程更新控制量,使得电流响应带宽接近开关频率,因此提高输出电压动态响应速度。然后,推导了输出电流瞬时值和电感电流瞬时值的代数关系,使用输出电流代替受开关振荡影响的电感电流以提高抗噪声能力。其次,建立了双有源桥的降阶模型,推导了传统双极点双零点2P2Z(two-pole tow-zero)电压模式控制器并和所提算法进行比较。最后,通过仿真和多种工况的实验结果表明,相比2P2Z电压模式控制,所提算法降低了变换器闭环输出阻抗,使得电感电流能够在一个控制周期内快速响应,极大提高了输出电压在负载切换时的动态性能。

一种波导矩圆模式变换器设计

在航管雷达大口径反射面天线、馈线系统中,矩形波导和圆形波导的模式转换过程一直避免不了。而传统的渐变式波导矩圆模式变换器尺寸过长,不够紧凑,很大程度上制约了雷达馈源的体积。运用微波射频仿真软件ANSYS HFSS设计了一款短小紧凑的波导矩圆模式变换器,仅通过在矩形波导和圆波导过渡段之间加载两级台阶变换,即可实现矩形波导TE_(10)模式到圆波导TE_(11)模式的模式变换。通过后期的实物加工测试,验证其电性能良好,波导端口电压驻波比(VSWR)<1.05,插入损耗<0.01 dB,很好地验证了本设计的可行性。其结构简单、紧凑、易加工,电性能良好,在航管雷达馈线系统中具有一定的研究价值。

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。

双重移相控制下双有源桥变换器最小回流功率全局优化控制

双有源桥(dual-active-bridge,DAB)DC-DC变换器通常用于能量转换。然而,传统的单移相控制使得变换器在输入电压和输出电压不匹配时产生较大的回流功率,特别是轻载情况下该现象更为严重。现有基于双重移相控制(dualphase-shift,DPS)的回流功率优化策略,尚未考虑全功率范围内的回流功率,也缺乏对所有工作模式下最小回流功率的研究。为此,该文提出一种考虑全功率范围、全工作模式的DPS最优控制策略。首先,详细阐述回流功率产生的机理,建立了不同工作模式的传输功率和回流功率数学模型。然后,计及不同工作模式的功率限值,将DPS控制的传输功率分成不同的功率区。在此基础上,提出了一种基于最小回流功率的DPS最优控制策略,通过分析不同工作模式下的优化路径获得各个功率区的最优移相角,进而提升DAB变换器的传输效率。最后,搭建实验平台验证所提最小回流功率控制策略的可行性。

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。

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。

170 GHz兆瓦级回旋管TE_(25,10)准光模式变换器设计

为满足聚变用170 GHz回旋管高功率输出和高效率传输的要求,需将高阶工作模式TE_(25,10)转换为高斯波束;针对这一技术需求,完成了170 GHz、TE_(25,10)模式高效准光模式变换器的设计,准光模式变换器由辐射器和镜面系统组成。基于几何光学和耦合波理论,完成了Denisov型辐射器相关设计;基于矢量衍射定理和相位校正算法,设计了由一个抛物面镜面、一个准椭圆镜面及一个相位校正镜面组成的镜面系统;使用Surf3D软件对辐射器进行了优化和计算,使用三维全波仿真软件FEKO对镜面系统进行了优化和计算,主要对辐射器微扰幅值、位置分布及相位差进行了优化。所设计准光模式变换器系统的能量转换效率约为95.2%,波束在输出窗处的标量高斯含量约为97.6%,矢量高斯含量约为91.8%,达到了回旋管的应用要求。

一种超宽电压增益双LLC谐振变换器及控制方法

为解决传统LLC谐振变换器在宽电压增益应用中所需开关频率范围过宽、总体效率较低等问题,文中提出一种多模式双LLC谐振变换器。该变换器基于半桥、全桥切换以及桥式、倍压整流切换的拓扑重构思路,以增益不同的4种模式实现较窄频率范围内的超宽输出电压,提高变换器效率的同时通过复用开关器件来降低成本。为了实现模式间的平滑过渡,针对所提变换器设计一种脉冲宽度频率调制控制方法,并根据模式切换特性进一步优化,提高模式切换速度。基于SiC开关器件,设计并搭建一台60~450 V输出电压、最大功率为900 W的实验样机,以验证所提拓扑及控制方法的可行性。

连续三态模式开关前置型准Z源高增益Boost变换器的特性

为了全面了解开关前置型准Z源Boost变换器的性能,对其在连续三态模式(continuous triple-state mode, CTSM)下的工作原理和稳态特性进行了深入分析。相比于传统的电流连续导通模式(continuous conduction mode, CCM)和连续双向导通模式(continuous bidirectional conduction mode, CBCM),CTSM下该变换器保留了功率管电压应力相等且约为输出电压一半的优点,但是具有更高的电压增益;此外,电感L2的体积大幅度减小,开关管实现了零电流开通,且所有二极管能自然关断。通过一台280 W/100 kHz实验样机验证了理论分析的正确性。实验表明,输出电压400 V条件下,在全负载范围内CTSM都具有显著的效率优势,其最大效率为97.1%。

隔离三端口电能路由变换器的模式切换控制策略

为了解决隔离型三端口电能路由器在面向实际应用过程当中多种工作模式间相互切换时,存在某些工作模式之间不能够进行直接切换的问题,本文对各工作模式特点进行了归纳,阐明了可直接切换和不可直接切换在控制层面的实质原因,提出通过设计必要的过渡控制实现模式间柔性切换的控制策略,该控制策略能够实现各个工作模式间的无缝切换,并通过仿真和实验验证了策略的正确性和有效性。本文研究结果对于多端口电能路由器的工程化应用提供了理论支撑。

W波段VLASOV准光模式变换器的优化仿真

针对传统天线受到高功率微波的输出功率和脉宽限制的问题,对W波段准光模式变换器进行优化仿真。基于准光近似理论,建立了输入模式为TE03模、频率为94 GHz的阶梯型VLASOV准光模式变换器模型,并进行了仿真优化设计,得到了优化后的VLASOV准光模式变换器数模型参数。仿真结果表明:辐射波束具有明显的方向性,波束明显变窄锐化,主瓣增益很高,达到29.46 dBi,能量主要集中在主瓣上,旁瓣增益较低,辐射效率达到87.36%。