基于数字控制的三端口电源变换器研究

发布时间：2020-09-03 14:18

　　三端口变换器在越来越多的领域中都发挥着重要的作用,如光伏系统、航天系统、汽车电子领域等,它通常用于连接电压(流)源、蓄电池(储能单元)与负载,并统一对功率进行管理。然而大多数三端口拓扑往往存在电路结构复杂、没有电池充电回路、效率低等缺点。另外,传统的模拟电源通常使用过多的模拟器件,使系统的分散性大,稳定性差,同时控制模式单一,设计也缺乏灵活性,不便于修改与调试。本文研究了一种新型的三端口变换器,提出了多模式、多频率的控制策略与调制模式,通过数字控制的方式实现灵活的环路控制,解决了开关管控制逻辑复杂、环路的竞争嵌套的问题,从而实现能量在任意端口的任意流动与宽范围的输入/输出电压比。在此基础上,通过优化占空比分布与控制环路,使模式切换更为平滑、稳定。针对一般三端口变换器的缺点,本文对一种新型的三端口拓扑进行了研究,该拓扑不仅具有结构简单、效率高的优点,而且能够实现多个端口之间能量的任意流动,同时易于进行功率拓展。通过分阶段讨论变换器的工作状态,对变换器的工作原理进行研究,利用状态空间法建立小信号模型,再将实际电路的参数带入模型进行数值解分析,得到各个端口的输出电压到占空比的传递函数,来进行稳定性分析与补偿器的设计。为了使控制更为灵活,应用了数字控制的手段,并给出了13种运行模式所对应的控制方式。通过对占空比分布进行仿真与分析,优化了调制参数与控制环路,使模式切换更为平滑、稳定。同时对软开关的实现与模块化架构进行了讨论。针对数字控制的关键问题进行了分析,包括极限环振荡、A/D采样误差与内在时间延迟等问题,并通过实验对比了三种控制器离散方法的控制效果,选出了最优的控制方式来对系统软件进行设计。同时设计了数字软启动程序,在电路中未增加任何新元件的基础上抑制了浪涌电流。搭建实物系统来进行调试与实验,验证变换器能实现宽范围的输入/输出电压比,能实现端口间任意方向的能量流动,通过模式切换实验,验证给出的控制策略的灵活性,并对比优化前后的模式切换过程,验证环路接管的有效性,最后进行输出切载实验,验证系统的稳定性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM46
【部分图文】：

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图 5-5 三端口变换器驱动电路原理图实验验证为了验证以上控制策略的分析，搭建了三端口变换器的硬件测平台，6所示。其中，端口1接电源，端口2接恒流电子负载，端口三接电阻负控制依靠DSP28335实现。图 5-6 三端口硬件测试平台

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5.3 实验验证为了验证以上控制策略的分析，搭建了三端口变换器的硬件测平台，如图5-6所示。其中，端口1接电源，端口2接恒流电子负载，端口三接电阻负载，数字控制依靠DSP28335实现。图 5-6 三端口硬件测试平台表5-1给出了变换器运行的主要参数及指标。表 5-1 电路参数与工作范围参数值端口1电压 V110~80 V (Typically:30 V)端口2电压 V210~80 V (Typically:48 V)端口3电压 V310~80 V (Typically:24 V)开关频率 20 kHz, 50 kHz, 100 kHz端口2额定负载电流端口3电阻4 A额定负载10Ω端口3电阻功率二极管 Q10Ω1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6IRFP90N20D端口电容 C1，C2，C3470 μF电感 L1, L275 μH

【参考文献】