输出宽范围连续可调的变结构恒功率电源的研究

论文摘要

输出宽范围连续可调的恒功率电源是开关电源诸多应用领域中的一种特殊应用,因其具有输出电压可调范围宽、稳态工作点变化范围大及恒功率输出功能等特点,此类开关电源存在着占空比变化范围大、设备利用率低、体积大、成本高和效率低等问题,限制了其在工程领域中的应用。本论文以宽范围恒功率电源为研究对象,从宽范围变换器的电路拓扑、通用结构、数学模型、动静态性能、全局稳定性和控制方法等方面探讨了宽范围恒功率电源的相关技术,并提出了若干新思路及分析方法。为减小宽范围恒功率电源设备利用率低、体积大和成本高的问题,提出了一种新的变结构变换器的构成思路,通过增加辅助开关和二极管,控制变结构变换器在高电压输出时串联工作,大电流输出时并联工作,既拓展了输出电压的调节范围,又有效地实现了分压和分流,减小了系统的设计容量、器件的应力及成本,保证了全输出电压范围内的高效率。在变结构变换器的基本构成上,提出了嵌套型多级变结构变换器的通用结构,给出了优化的工作状态序列,并建立了通用结构的数学模型,为变结构变换器多级应用奠定了基础。变结构变换器的系统结构及稳态工作点都需要变化,为保证变结构变换器在全输出电压范围内具有相同的相对稳定性和负载动态性能,针对不同的控制方式,分析了其性能影响的变化趋势,并提出了相应的改善措施。对于单电压环控制,提出采用自适应采样系数的方法,消除系统结构变化对负载动态性能的影响;对于电压-电感电流双环控制时,系统的相对稳定性能及负载动态性能,不受系统结构及稳态工作点变化的影响;对于电压-输入电流双环控制,提出采用电压基准值前馈的方法,消除了稳态工作点变化对系统性能的影响,完善了宽范围变结构变换器的理论体系。为保证系统结构的平滑切换,根据变结构变换器的工作特点,提出了占空比跳变的非线性平滑切换控制策略。在结构切换时,依据系统结构之间的关系,按一定比例突变占空比,有效减小了电感电流的尖峰,实现了系统结构的平滑切换和输出电压的平滑调节。针对宽范围恒功率电源的数字控制方式,归纳总结了实际应用中的各种延时情况,建立了其相应的延时离散小信号模型,分析了延时对系统性能的量化影响,提出了一种简单有效、不依赖于系统模型、鲁棒性好的占空比预测延时补偿算法。在此基础上,把基于线性外推的占空比预测控制算法成功用于数字控制的宽范围变结构变换器中,达到了预期的效果。为保证级联系统的全局稳定性,依据输出宽范围连续可调恒功率电源的系统结构,研究了变结构变换器输入输出阻抗与系统参数及控制器参数的关系,应用Middlebrook稳定性判据对级联系统的全局稳定性进行了理论及仿真分析,结果表明,系统的输出功率、前级变换器的滤波电容和控制环的相位裕度会影响级联系统的稳定性,文中对这些敏感参数进行了优化设计,保证了级联系统在全输出电压范围内和全负载范围内的全局稳定性。该分析方法及结论为相关的宽范围变结构变换器级联系统稳定性的研究奠定了良好的基础。成功研制了一台输出40V-600V宽范围连续可调的数字控制的变结构恒功率电源样机,该宽范围恒功率电源的各项性能基本满足设计要求,具有较好的稳态及动态性能,实现了恒功率输出功能,具有较好的电压调整率和负载调整率,输出电压纹波系数也相对较小,在全输出电压范围内都具有相对较高的效率。实验结果进一步验证了前述相关分析和研究的正确性和有效性,为高性能宽范围恒功率开关电源的工程应用奠定了实验论证基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 电源输出特性的分类
• 1.1.2 宽范围恒功率电源的应用及面临的问题
• 1.2 宽范围变换器的研究现状
• 1.2.1 固定拓扑的宽范围变换器
• 1.2.2 变拓扑的宽范围变换器
• 1.3 数字控制中延时问题的研究现状
• 1.4 论文研究的主要内容
• 2 变结构 DC-DC 变换器拓扑及性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 拓扑结构的优化选择及工作原理
• 2.2.1 拓扑1
• 2.2.2 拓扑2
• 2.2.3 拓扑3
• 2.3 多级变结构变换器的通用结构
• 2.3.1 通用结构的构成
• 2.3.2 通用结构的工作模式
• 2.4 变结构变换器器件应力及损耗分析
• 2.4.1 应力分析
• 2.4.2 损耗分析
• 2.5 参数对系统性能的影响
• 2.5.1 输出滤波电感对均压均流的影响
• 2.5.2 变压器漏感对均压均流的影响
• 2.5.3 均压均流的改善措施
• 2.6 实验验证
• 2.7 本章小结
• 3 变结构 DC-DC 变换器数学模型及控制策略的研究
• 3.1 引言
• 3.2 变结构变换器的数学模型
• 3.2.1 单级结构的小信号交流模型
• 3.2.2 嵌套型多级变结构变换器的通用数学模型
• 3.3 不同控制方式下系统的稳定性分析
• 3.3.1 单电压环控制
• 3.3.2 电压-电感电流双环控制
• 3.3.3 电压-输入电流双环控制
• 3.4 变结构切换控制策略
• 3.5 本章小结
• 4 数字控制中延时问题的研究
• 4.1 引言
• 4.2 数字控制器设计方法对比分析
• 4.2.1 数字式再设计法（DRA）
• 4.2.2 直接数字设计法（DDA）
• 4.2.3 两种设计方法的比较分析
• 4.2.4 实验研究
• 4.3 数字控制中延时的分类及量化影响
• 4.3.1 延时情况的分类
• 4.3.2 延时离散模型
• 4.3.3 延时的量化影响
• 4.3.4 实验研究
• 4.4 占空比预测控制算法
• 4.4.1 基本原理
• 4.4.2 补偿效果
• 4.4.3 仿真及实验研究
• 4.5 本章小结
• 5 变结构变换器级联后系统的稳定性分析
• 5.1 引言
• 5.2 级联系统的稳定性判据
• 5.3 变结构变换器输入输出阻抗分析
• 5.3.1 输入输出阻抗的计算
• 5.3.2 输出阻抗与系统参数的关系
• 5.3.3 输入阻抗与系统参数的关系
• 5.3.4 级联时变结构变换器的设计原则
• 5.4 级联后系统稳定性的仿真验证
• 5.4.1 Boost PFC 输出阻抗
• 5.4.2 级联后系统稳定性的仿真分析
• 5.5 本章小结
• 6 输出宽范围连续可调的变结构恒功率电源整机实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 系统的设计要求及整体方案
• 6.3 前级PFC 的实验结果
• 6.4 输出宽范围连续可调的变结构变换器的实验结果
• 6.4.1 稳态实验结果
• 6.4.2 动态实验结果
• 6.4.3 恒功率限制的实验结果
• 6.4.4 系统结构切换的实验结果
• 6.4.5 变结构变换器效率的测试
• 6.5 系统整体性能的测试
• 6.6 本章小结
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读博士学位期间发表的论文
• B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利
• C.作者在攻读博士学位期间参研的科学项目