独立充放时序SIDO开关变换器电流型变频控制技术

单电感双输出(single-inductor dual-output,SIDO)开关变换器工作在共享充放时序下存在电感电流纹波大、输出支路间交叉影响严重以及电路参数宽范围变化下控制电路不能正常工作等问题.为此,提出一种独立充放时序电流型变频控制(current-mode variable frequency control,C-VF)技术.首先,具体描述变换器在连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)下的工作原理,并推导主电路开环传递函数;进一步构建闭环小信号模型,推导闭环交叉阻抗,详细分析不同输出电压及负载电流下变换器的交叉影响特性;最后,通过仿真和实验进行验证.研究表明:相较于共享充放时序,独立充放时序C-VF CCM SIDO buck变换器减小了交叉影响,改善了负载瞬态响应性能;当两支路负载电压不等时,减轻某一支路负载可以降低该支路的交叉影响;当两支路输出电压相同但负载不同时,重载支路对轻载支路的交叉影响更小.

准Z源逆变器的模型预测电流误差控制

为降低准Z源逆变器模型预测控制的控制误差,提出一种模型预测电流误差控制方法。首先,在充分分析电压矢量对被控量性能影响的基础上,合理地选择适合各被控量的电压矢量组合方式。然后,利用电流对称控制思想保证电感电流关于其参考指令对称。最后,采用电压矢量抵消原理使输出电流幅值逼近其目标值。实验结果表明,所提方法能够大幅降低电感电流脉动和输出电流谐波含量;证明了所提方法能有效提高准Z源逆变器的控制精度,简化了对权重系数的设计工作。

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.

混合型有源电力滤波器双闭环控制

混合型有源滤波器(HAPF)是一种改善电能质量的装置,针对其无源器件容易造成直流侧电压难以控制以及系统谐振的问题,提出一种变流器输出电流和电感电压反馈的双闭环控制器。首先建立变流器输出电压和无源支路上电感电压的数学模型,但模型中存在大量耦合项,为了实现无静差控制,采用变量前馈的解耦方式消除耦合量。然后对系统控制进行设计,电感电压作为外环保证跟踪精度;选用变流器输出电流作为内环,加入系统有源阻尼,抑制系统谐振尖峰。最后仿真和实验结果表明,该控制策略提高了直流侧电压控制的动态响应速度和稳态精度,同时降低了谐振尖峰对系统稳定性的影响。

基于CESO的SIDO Buck-Boost变换器自抗扰控制策略

针对单电感双输出Buck-Boost变换器两输出支路va和vb间存在交叉影响,暂态性能差等问题,提出一种基于级联扩张状态观测器(CESO)的自抗扰控制(ADRC)策略.首先,根据ADRC理论将主路和支路分别拟合为相互独立的系统,减少支路间的交叉影响;其次,设计CESO对系统总扰动进行估计,消除因传统扩张状态观测器不完全估计而造成的观测残差,并利用CESO对电路传感器高频噪声的抑制作用,进一步提高观测值的估计精度;然后,将观测值作用于ADRC的状态误差反馈控制率,以提高系统的暂态性能;最后,利用Lyapunov理论证明了控制系统的闭环稳定性.仿真结果表明:本文所提控制策略有效减小了两输出支路va和vb间的交叉影响,同时提高了系统的暂态性能.

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。

具有低输出纹波的双电感复用无桥buck-boost PFC变换器

单相buck-boost功率因数校正(PFC)变换器凭借高功率因数(PF)与升降压的输出特性广泛应用于小功率非隔离LED场合(≤25 W),但是随着双碳政策的推行,需要进一步提升变换器性能。因此提出一种双电感复用的单级无桥buck-boost变换器,其双电感分别交替工作于电感电流不连续导通模式(DCM)与连续导通模态(CCM)。工作于CCM的电感可以与电容构成LC滤波电路减小输出纹波,工作于DCM的电感可以使变换器仍然采用单电流闭环控制实现接近于1的PF与输出调节。此外,所提出的变换器仍然可以采用含谐波注入的控制,进一步降低输出电流纹波,实现PF与输出电流纹波的权衡。最后,两台实验样机验证了拓扑的可行性和理论分析的正确性。

基于遗传算法的多模块IPOP双有源全桥DC-DC变换器总电流有效值优化策略

单模块双有源全桥DC-DC变换器,可通过最优移相策略来保证电流有效值最优。然而,当多模块并联运行时,由于模块间电气量无法完全匹配一致,不同模块间的电流有效值特性将有所差异,导致传统的均功率控制无法做到总效率最优。基于此,该文提出一种基于遗传算法的多模块输入并联输出并联(IPOP)双有源全桥DC-DC变换器总电流有效值优化策略。首先,该文结合遗传算法对单模块双有源全桥变换器的电流有效值特性进行分析与优化,该算法集成了单、双、三重移相控制的优势,同时可自然实现三种移相策略的无缝过渡。其次,针对输入输出并联的多模块变换器系统,提出一种基于离线计算在线查表,总电感电流有效值最优的控制策略。不同于传统的均功率控制方法,该策略可根据模块间辅助电感的差异化对总功率进行优化分配,以实现系统的总电感电流有效值最优。最后,搭建一台基于碳化硅器件的8 kW/100 kHz三模块并联样机对优化控制策略进行验证,实验表明,基于优化控制策略,样机峰值效率可达98.8%,与传统均功率控制策略进行对比,在降压和升压工况下,平均效率分别提升了1.2%和0.84%,验证了该文所提控制策略的有效性。

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。

R-L分数阶CISM SIDO Buck变换器的建模与交叉影响分析

为建立更契合真实特性的变换器模型,采用R-L分数阶微积分理论和状态空间平均法,建立了完全电感供能模式(complete inductor supply mode,CISM)下单电感双输出(single-inductor dual-output,SIDO)Buck变换器的R-L分数阶模型,推导其直流稳态、电感电流纹波以及电压纹波的解析式,总结出与分数阶阶次的关系;根据独立电压控制(independent voltage-feedback controlled,IVF)下SIDO Buck变换器分数阶建模的小信号模型,通过波特图对比分析了整数阶与分数阶建模的交叉影响。在PSIM中搭建了分数阶CISM SIDO Buck变换器电路,仿真实验结果验证了分数阶建模及其交叉影响理论分析的正确性。

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。

多路输出电源中耦合电感的模型及分析

耦合电感是多路输出电源中的关键部件 ,但其工作机理却未得到足够认识。本文根据所引入的耦合电感的数学模型 ,分析了耦合电感匝比的设计 ,以及耦合电感对于输出电流脉动、负载交错性能、输出动态性能的影响。在深入分析的基础上 ,文中还提出新的调整输出纹波的方法 (改变耦合电感的绕制方法来调整输出纹波 )和改善输出负载交错性能的方法。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

Boost变换器的能量传输模式及输出纹波电压分析

分析了Boost变换器在开关关断期间的能量传输模式,根据流经电感的最小电流与输出电流的比较,将其分为完全电感供能模式(CISM)和不完全电感供能模式(IISM),得出了CISM和IISM的临界电感和临界条件。指出工作在连续导电模式(CCM)的Boost变换器,既可能工作在CISM也可能工作在IISM;而在不连续导电模式(DCM)的Boost变换器,必定工作在IISM。指出对于给定负载、电容和开关频率的BoostDC-DC变换器,CCM-CISM模式的输出纹波电压最小且与电感无关;CCM-IISM模式的输出纹波电压较大且随电感减小而增大;DCM模式的输出纹波电压最大且亦随电感减小而增大;CISM和IISM的临界电感即为使得变换器的输出纹波电压最低的最小电感。文中给出了实例,并用实验结果验证了理论分析的正确性。

悬臂梁式压电振动能量收集系统输出功率的优化研究

针对环境振动能量较小、振动源频带较宽导致压电能量收集系统输出功率较低的问题,探究了悬臂梁式结构能量收集系统采用并联或串联电感优化统输出功率的方法和特性,分析了不同并、串联电感值对输出功率的影响.鉴于压电悬臂梁的工作频率较低,匹配电感值较大,采用无损模拟电感进行了实验验证.理论分析与实验结果均表明,在不同的激振频率下对应不同的匹配电感值,在偏离谐振频率附近也可获得与谐振状态几乎相同的最大输出功率,从而拓宽了工作频率,提高了压电振动能量收集系统的能量收集水平.当激振频率分别是谐振频率的0.8和1.2倍时,并联或串联电感获得的最大输出功率分别是无电感纯电阻负载的26.4倍和18.2倍.

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。

二次型CCM Boost变换器能量传输模式

为了分析二次型CCM Boost变换器输出电压纹波特性,研究其能量传输模式。根据电感电流谷值与负载输出电流的关系,分析二次型CCM Boost变换器在开关管关断期间的能量传输模式,即完全电感供能模式(CISM)和不完全电感供能模式(IISM)。分析在忽略输出电容等效串联电阻和存在输出电容等效串联电阻两种情况下,工作于CISM和IISM模式的二次型CCM Boost变换器的输出电压纹波特性,得出CISM与IISM模式的临界电感值和临界工作条件。分析结果表明,当二次型CCM Boost变换器工作于CISM模式,且忽略输出电容等效串联电阻时,输出电压纹波仅由开关管导通期间输出电容电压的下降幅度决定,与电感无关;而当存在输出电容等效串联电阻时,工作于CISM模式比IISM模式具有更小的输出电压纹波。实验结果验证了理论分析的正确性。

正激式DC/DC多路输出变换器设计

介绍了正激式DC/DC多路输出电源拓扑,简单介绍了两种精确调节技术:利用磁放大器进行后级调节和次级同步调节技术(SSPR)实现精确输出,并比较了其各自的优缺点。最后以一个设计示例,采用次级同步调节技术,运用AP法讨论了正激式多路输出变压器、耦合电感器的优化设计,以提高多路输出变换器的效率,改善负载调整率、交叉调整率等问题。实验结果表明,采用次级同步调节技术方案有效地提高了多路输出变换器的效率,改善了负载调整率、交叉调整率。

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。

电压型控制SIDO CCM Buck变换器的统一离散迭代映射模型及稳定性研究

以工作于电感电流连续模式（continue conduction mode,CCM）的电压型控制单电感双输出（single-inductor dual-output,SIDO）Buck变换器为研究对象,描述了电压型控制SIDO CCM Buck变换器的工作原理,指出变换器存在两种开关状态切换路径。基于状态方程和开关切换函数,建立了电压型比例（P）控制和比例积分（PI）控制SIDO CCM Buck变换器工作于两种开关状态切换路径时的统一离散迭代映射模型。利用输出电压分岔图和统一离散迭代映射模型的雅克比矩阵特征值,分析了P控制和PI控制的比例系数和积分系数对变换器的稳定性影响。研究结果表明：不同于传统电压型控制CCM Buck变换器随误差放大器的比例系数增大而发生分岔的现象,电压型控制SIDO CCM Buck变换器随支路开关管电压控制回路的比例系数减小或主开关管电压控制回路的比例系数增大而发生Hopf分岔,变换器从稳定工作状态进入不稳定的低频振荡。且积分系数越大,变换器越不稳定,比例系数的稳定范围越小。最后,建立了电压型控制SIDO CCM Buck变换器的仿真和实验电路,验证了理论分析的正确性。