峰值电流型DC-DCBoost变换器的斜坡补偿优化技术研究

发布时间：2016-10-08 07:08

第一章  绪论 

1.1  研究背景 
近年来，开关电源因其具有体积小、效率高、功率密度大等优点，得到了飞速的发展，在电源技术方面已经占有相当重要的位置[1]。开关电源技术在交通、航空航天、电力系统、工业等领域也有了广泛的应用。 开关功率变换器是开关电源的核心，它在实际运行的时候，往往会出现一些不可预知的现象，比如，控制系统的次谐波振荡、变换器产生非常刺耳的电磁噪声、系统的突然崩溃以及无法按照规定的要求工作等。这些非线性现象普遍存在于电力电子系统中，并且阻碍了人们对开关功率变换器的研究、设计以及开发，大大限制了开关功率变换器性能的提高和发展。然而，一直以来人们则将上述非线性现象归结为系统的故障或外界随机扰动所致，并没有很好地透过现象看到它的本质。 而实际上，，功率变换器的这些不稳定现象是由于采取了功率开关管以及储能元件等非线性器件所导致的[2-4]。这些非线性行为给功率变换器的稳定运行带来了特别大的困扰，为此，国内外的学者对开关功率变换器非线性现象的抑制展开了全面的研究工作。人们利用各种方法，对变换器工作时出现的非线性不稳定现象进行了很多的研究，发现在 DC-DC、AC-DC、DC-AC 功率变换器等开关电源设备中存在着相当丰富的非线性现象[5-13]。目前，开关功率变换器非线性现象的研究已经发展成为电力电子学中一个重要的分支范畴。 峰值电流控制、平均电流控制以及滞环电流控制是研究开关功率变换器非线性现象时典型的控制策略。峰值电流控制具有动态响应快、增益带宽大、能够快速限流过流保护以及输出电感小等优点。但是它的不足之处是，当占空比大于 50%时，系统容易产生次谐波振荡等非线性不稳定现象，当占空比小于 50%时，系统则稳定运行[14-16]。有研究表明，采取平均电流法控制时，开关功率变换器的系统同样也会呈现出不稳定的现象，但是，主要表现为慢时标不稳定现象[17]。这样分析可知，峰值电流与平均电流控制都各自存在控制上面的缺点，为此，在系统设计时需要给其添加一定的外界扰动作为补偿。目前为止，各种扰动补偿方式也相继被提出，这样的研究工作已取得了一定的成效  [18-24]。然而，这些控制策略各有不足之处，有的只是停留在理论阶段，而有的运用到实际设计中的电路太过复杂，所以不方便在工程上得到应用与推广。所以，进一步研究开关功率变换器使之在工程中得到应用和推广，不仅具有十分好的理论价值，并且也符合实际工程中的要求，也具有很好的工程价值。
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1.2  研究目的和意义 
按控制模式划分的方法，开关电源可以分为电压模式和电流模式，相对电压模式来说，电流模式具有增益带宽大、输出电感小、动态响应快、容易实现限流和过流保护等优点[25]，而常用的电流控制模式又可以分为峰值电流、平均电流和滞环电流控制，其中，峰值电流模式的显著特点是瞬态响应性能好。所以，系统在要求瞬态响应性能的设计时，常用峰值电流模式的控制方法，在对峰值电流控制的 DC-DC Boost 功率变换器进行研究时，出现了次谐波振荡、分岔以及混沌等非线性不稳定现象。对于消除以及采取何种补偿方式消除这些不稳定现象，使功率变换器具有较高的瞬态响应性能和保证系统在整个工作区都能稳定的工作，是目前研究的难点和热点。 对于 DC-DC Boost 功率变换器，很多学者只对次谐波振荡、分岔、混沌等不稳定现象的控制进行研究，并没有对在输入直流电压跳变的情况下功率变换器的瞬态响应性能和稳定性能进行研究。由于很多研究只是局限于输入直流电不变的情况，并没有将其扩展到实际输入直流电压可能跳变的整个过程中去，所以，目前大多数的研究，无法同时达到在输入直流电压跳变的时候，每个开关周期的稳定和快速瞬态响应的效果。 在实际设计中，当输入直流电压跳变时，为保证功率变换器能保持每个开关周期的稳定和快速的瞬态响应效果，提出了一种动态优化的斜坡补偿设计思路及精确的参考电流补偿模型。通过研究，可以得出一种动态优化斜坡补偿电路，通过试验验证其可行性，实现电路的稳定性和单周期的快速响应能力。采用动态优化斜坡补偿的 DC-DC Boost 功率变换器进行瞬态响应和稳定性测试以及整体功率变换器的性能优化是本课题研究的目的。 
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第二章  电力电子中的混沌现象 

混沌现象普遍存在与大自然和各个领域中，而在电力电子研究领域，它有其独特的特点。开关功率变换器在运行的时候，常常会出现一些不可预知的现象，比如，控制系统的次谐波振荡、变换器产生非常刺耳的电磁噪声、系统的突然崩溃以及无法按照规定的要求工作等。长期以来人们没有透过现象看到本质，只是认为这属于系统的故障或外界随机扰动。实际上，这是由于开关管等非线性器件导致的非线性不稳定现象。这些非线性现象是开关变换器中混沌现象的一种普遍的表现。 

2.1  混沌的定义及基本特性 
混沌至今还没有一个统一的定义，这是因为混沌系统的奇异性和复杂性还没有被大家彻底的了解和掌握。目前，已得到的定义也只是反映了混沌运动的特性。下面介绍几种已有的混沌定义。 与现有已知的运动类型进行比较而定义的方法。在这里，混沌的定义是：混沌运动是一种不稳定的有限定常运动，它的特点是虽然整体稳定，但是，局部极不稳定。这里所定义的有限定常运动，指的是运动状态在某种意义上不随时间的变化而变化。这个定义指出了混沌的两个主要特征：不稳定性和有限性，但是，这个定义描述的比较笼统，因为它仅仅反映了混沌运动是自然界中一种新的运动形态，并没有很详细的进行分析。 哈肯给混沌这样定义：来源于确定性方程的无规则运动。这里最大的的困难是如何恰当地定义“无规则运动”这个概念，因为不同周期的运动迭加到某种程度也可以模拟无规则行为。所以就有迪托把混沌定义为非常多数目的不稳定周期运动的叠加。 
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2.2  通向混沌的道路 
对于包括电力电子开关功率变换器在内的研究来说，通向混沌的道路主要有三条：倍周期分岔道路、阵发（间歇）道路、准周期分岔道路。下来对这三条道路进行介绍。倍周期分岔是被研究的第一条通往混沌状态的道路。这条道路是由 Mandelbrot 和Myrberg 等一批科学家共同努力而发现的。它是指在一定的参数 u 范围内，当 u 不断变化时，不动点逐渐跃变，不断出现分岔现象，这样，周期点不断增加。之后，nu 点的间隔越来越小，最后，在?u 处出现无穷多的周期点，这就是所谓的混沌状态。这条道路具有普适性特点，其分岔结构随着系统参数的变化将会出现一系列分岔点，一直到变成混沌状态为止。 Feigenbaum 为了对倍周期分岔中复杂的标度性质进行简洁的描述，引入了倍周期分岔中的普适常数和标度函数。它的基本特点是：不动点→两周期点→四周期点→??无限倍周期凝聚→奇异吸引子。阵发混沌的产生机制与切分岔密切相关。切分岔和阵发混沌现象在电流模式控制的Buck、Boost 变换器中都可能产生。阵法混沌的出现使得系统的非线性动力学特性变得更加复杂。法国科学家 Pomeau 和 Manneville 在 1980 年提出：当系统中的许多参数变化到某一特定的数值时，该系统将会时而周期运动，时而发生混乱，直至通向混沌，这一现象被称为 PM 类阵发道路。已经发现，阵发混沌道路与倍周期分岔通向混沌道路是一对孪生兄弟。对于 DC-DC 功率变换器来说，当其参数发生变化时，系统将会出现非周期并且随机的“跳跃”运动，也就是阵发混沌运动。 
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第三章  Boost 变换器的理论基础 ........... 13 
3.1 Boost 变换器的工作原理 .... 13
3.2  开关功率变换器的调制方式以及控制类型 ..... 19
3.3  本章小结 ..... 22 
第四章  DC-DC Boost 变换器常用的电流控制策略 ..... 23 
4.1  平均电流控制 ..... 23 
4.2  滞环电流控制 ..... 24 
4.3  峰值电流控制 ..... 25 
4.4  本章小结 ..... 26 
第五章  峰值电流型 DC-DC Boost 变换器斜坡补偿分析 .... 27 
5.1  数学模型 ..... 27 
5.2  稳定判据及稳定条件 ......... 28
5.3  无斜坡补偿分析 ......... 32 
5.4  固定斜坡补偿分析 ..... 33 
5.5  仿真软件简介及仿真结果分析 ......... 34 
5.6  电路参数设计及实验结果分析 ......... 37
5.7  本章小结 ..... 43 

第五章  峰值电流型 DC-DC Boost 变换器斜坡补偿分析 

DC-DC  Boost 功率变换器由于采用了功率开关和乘法器等非线性器件，给系统带来了很强的非线性，产生次谐波振荡等不稳定现象，会影响变换器的各种性能[61]。为了使变换器能够正常工作，采取有效的次谐波抑制手段是很有必要的。工程上，通过在开关功率变换器的控制电路中引入适当的斜坡补偿，可有效地拓宽系统的稳定工作范围，使处于次谐波振荡状态中的功率变换器进入稳定状态，实现系统的稳定性控制[62-64]。本章以峰值电流型 DC-DC Boost 功率变换器为研究对象，详细分析了系统不稳定现象的产生原理以及固定斜坡补偿控制对系统稳定性的影响。最后，对 DC-DC Boost 功率变换器进行相关的仿真分析和实验验证，并得出相应的结论。 

5.1  数学模型 

峰值电流型 DC-DC Boost 变换器的工作原理已经介绍，下来介绍峰值电流型 DC-DC Boost 变换器的数学模型。其电路结构图如图 5-1 所示[71]。如图 5-2(a)所示，当占空比 D 大于 0.5 时，后一个开关周期的电感电流扰动误差比前一个开关周期的扰动误差要大，即电感电流误差信号是振荡发散的，系统处于不稳定状态。并且可以发现，振荡周期为开关周期的 2 倍，所以振荡频率为开关频率的 1/2，这就是次谐波振荡的由来[65]。由此迭代下去，电感电流的扰动误差量会越来越大，最后趋于无穷大，导致系统最终出现由不稳定到崩溃的现象。 如图 5-2(b)所示，当占空比 D 小于 0.5 时，电感电流的扰动误差量总是小于上一个开关周期的，由此迭代下去，电感电流的扰动误差量则会越来越小，最后趋于零。这种振荡属于稳定的衰减振荡，系统将慢慢处于稳定状态。对以上现象的描述，下面将从数学的角度进行推导分析。 

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总结

本设计以峰值电流型 DC-DC  Boost 功率变换器的次谐波振荡不稳定现象为研究对象，提出了稳定性的控制策略。论文的研究工作和成果如下： 
（1）研究了峰值电流型 DC-DC  Boost 功率变变换器的不稳定行为，针对次谐波振荡等不稳定行为，详细分析了固定斜坡补偿的工作原理、控制特点以及存在问题。完成了相关公式推导、建模仿真和实验验证工作。 
（2）为了解决固定斜坡补偿存在的问题，本设计基于参数共振微扰原理，提出了一种动态优化斜坡补偿的控制方法。通过公式推导得出动态优化斜坡补偿下精确的参考电流表达式。在此基础上，进行了相应的仿真实验，验证了该方法的可行性。最后，通过设计电路板、器件选型以及实验操作验证了该补偿策略的正确性和有效性。 所取得的研究成果：动态优化斜坡补偿控制策略不仅可以有效地抑制系统的次谐波振荡不稳定现象，并且解决了固定斜坡补偿所存在的问题，保证了功率变换器的稳定性以及瞬态响应性能。与此同时，动态优化斜坡补偿通过抬高参考电压的值来提高电流的输出能力，保证了输入功率。 
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参考文献(略)

本文编号：133325