脉冲负载直流变换器输出动态响应的研究

摘要

提高 DC/DC变换器的动态性能是近年来高负载变化率场合的应用需求和研究热点，在车载电源、CPU供电系统及通信电源等应用中，越来越多的负载具有了突变的特性，负载的高电流变化率给变换器带来极大的挑战。在负载突变时，供电系统需要使输出电压足够稳定，由负载突变引起的电压过冲要在负载容许的工作电压范围内，以保证负载的正常工作和安全。常规、常用的方法是在输出侧并联大容量滤波电容，该措施已经严重影响了供电系统的可靠性和功率密度。因此研究具有良好动态性能的变换器及其控制策略有着重要的意义。
　　本文首先将改善 DC/DC变换器输出动态响应的措施从拓扑结构和控制策略两个方面进行了归纳，根据电路特点和工作原理将繁多的拓扑结构划分为四类，并且从结构复杂度、系统效率和动态响应能力三方面进行分析和评价，讨论了不同控制策略的动态响应效果及复杂度。结合各类提高变换器动态性能的措施所存在的问题及应用场合，根据本课题的负载要求，确定了主拓扑为电感两两耦合的四相交错并联 Buck电路，采用AVP控制策略进一步优化变换器的动态响应。
　　分析了四相交错并联 Buck电路的工作特性及反向耦合滤波电感对动态响应的影响。采用状态空间法对CCM模式下的单相Buck电路进行小信号建模，分析四相Buck电路模型，使用等效的单相Buck电路模型代替复杂的四相Buck模型，为补偿网络的设计提供了理论依据。讨论了影响变换器动态响应的各个因素，并分析各影响因素的作用效果，可以指导变换器的硬件设计，有利于改善变换器的动态响应能力。
　　使用Matlab/Simulink-PLECS软件对主电路及其控制进行了仿真分析，验证了所设计的主电路及控制策略的可行性。在此基础上，完成了变换器的参数计算和器件选型，并且对变换器的主电路、控制电路及驱动电路进行了设计。
　　综合理论分析和软件仿真，搭建了输出电压12V脉冲电流60A的实验样机，用以验证变换器的动态响应效果。实验结果表明，在脉冲负载作用时，该变换器输出电压波动达到了设计指标，实现了较好的动态响应效果。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 提高变换器输出动态性能的研究现状

1.2.1 提高输出动态性能的拓扑结构

1.2.2 提高输出动态性能的控制策略

1.3 课题主要研究内容

第2章 变换器工作原理及特性分析

2.1 四相交错并联同步Buck电路结构

2.1.1 四相交错并联同步Buck工作特性分析

2.1.2 耦合滤波电感的特性及其对动态响应的影响

2.2 电感两两耦合的四相交错并联Buck工作模态分析

2.3 变换器建模及控制分析

2.3.1 主电路建模

2.3.2 控制环路分析

2.4变换器动态性能的影响因素

2.4.1 电容及其寄生参数的影响

2.4.2 电感及控制环路带宽的影响

2.4.3 开关延时及负载接线阻抗的影响

2.5 本章小结

第3章 变换器主电路与控制电路设计

3.1 变换器主要性能指标及整体结构

3.2 主电路设计及参数计算

3.2.1 耦合滤波电感的设计

3.2.2 功率开关管的选取

3.2.3 输出及输入滤波电容的选取

3.2.4 肖特基二极管的选取

3.2.5 脉冲负载的设计

3.3 控制相关电路设计及参数计算

3.3.1 控制电路设计

3.3.2 电流采样电路设计

3.3.3 驱动电路设计

3.3.4 补偿网络设计

3.4 本章小结

第4章 变换器系统仿真与实验结果分析

4.1 变换器仿真分析

4.1.1 仿真模型的搭建

4.1.2 仿真结果分析

4.2 实验平台的搭建

4.2.1 硬件平台

4.2.2 变换器基本实验波形

4.2.3 变换器动态响应效果

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢