基于多级脉冲序列调制的开关变换器新型控制技术研究

摘要

随着电力电子技术和电子信息技术的快速发展，各类新型用电设备对开关电源的瞬态响应速度、输出电压纹波和精度、稳定性提出了越来越高的要求。为了应对上述技术挑战，本论文以提高开关变换器系统性能为目的，提出并深入研究了基于多级脉冲序列(multi pulse train，MPT)调制的新型开关变换器控制技术。论文的主要研究内容和结论包括:
　　1、研究了电压型和电流型脉冲序列(pulse train，PT)控制技术的特性和实现方式;分析了电压型和电流型PT控制断续工作模式(discontinuous conduction mode，DCM)Buck变换器的稳态控制规律和启动特性。研究表明:当负载加重时，电压型和电流型PT控制器均会产生数量较多的PH脉冲;当输入电压升高时，电压型和电流型PT控制器则会分别产生较多的PL和PH脉冲;电流型PT控制变换器启动过程平稳;PH脉冲周期与PL脉冲周期传递能量的较大差异是造成变换器输出电压纹波较大的根本原因。
　　2、提出了开关变换器多级脉冲序列调制方法，以及基于该调制方法的电压型和电流型MPT控制技术，并介绍了其控制原理和实现方式;分析了电压型和电流型MPT控制DCM Buck变换器在一个开关周期内的输出电压变化量，以及MPT循环周期内控制脉冲的数量比例;给出了控制参数设计方法;计算了变换器的稳态输出电压纹波;提出并研究了MPT技术的轻载工作模式;阐明了MPT调制方法具有性能优势的理论依据;对电压型和电流型MPT控制技术进行了仿真和实验研究。研究表明;基于MPT调制的新型控制技术原理简单，实现方式切实可行，瞬态性能好;与PT技术相比，MPT技术可有效减小开关变换器的输出电压纹波。
　　3、提出了基于电流基准的脉冲序列(current referenced pulse train，CRPT)控制技术;介绍了其控制原理和实现方式;研究了CRPT控制的参数设计方法、输出电压变化量、控制脉冲的数量比例和组合方式、输出电压纹波、轻载模式等;建立了CRPT控制DCMBuck变换器的小信号模型;简要分析了CRPT控制技术在Boost变换器和Buck-Boost变换器中的应用，给出了CRPT控制基本变换器的通用公式;从控制理论上对PT、MPT和CRPT技术进行了对比分析;对CRPT控制技术进行了仿真和实验研究。研究表明:CRPT控制技术简单易行，瞬态性能好;与PT技术相比，CRPT技术可明显减小开关变换器的输出电压纹波;与MPT技术相比，CRPT技术可有效提高输出电压精度。
　　4、研究了开关变换器能量传递的迭代关系;分别建立了电压型MPT控制和CRPT控制DCM Buck变换器的能量迭代模型;通过分析能量轨迹和输出电压迭代关系，对MPT和CRPT技术的控制特性和物理现象进行了深入研究。研究表明:能量迭代模型物理意义明确;能量轨迹能准确反映电容储能的变化规律、脉冲序列的组合方式和变换器的瞬态过程;MPT变换器的能量轨迹将围绕不同的能量基准值循环运动，CRPT变换器的能量轨迹则始终位于同一个能量基准值附近;MPT变换器和CRPT变换器的能量变化范围和输出电压变化范围均明显小于PT变换器，CRPT变换器的稳压精度更高;多开关周期循环状态不会对变换器产生显著影响;MPT变换器和CRPT变换器均会出现分岔现象，但不会出现混沌，且电路寄生参数不会影响其稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 开关变换器的调制方式

1．2．1 脉冲宽度调制

1．2．2 脉冲频率调制

1．2．3 脉冲跨周期调制

1．2．4 脉冲序列调制

1．3 开关变换器的控制技术

1．3．1 开关变换器控制技术的分类

1．3．2 线性控制技术

1．3．3 非线性控制技术

1．4 开关变换器的系统建模分析方法

1．5 论文的主要工作

1．5．1 章节安排

1．5．2 主要创新

第2章 开关变换器的脉冲序列调制方法

2．1 电压型PT控制技术

2．1．1 控制原理和特点

2．1．2 实现方式

2．1．3 电压型PT控制Buck变换器稳态分析

2．2 电流型PT控制技术

2．2．1 控制原理和特点

2．2．2 实现方式

2．2．3 电流型PT控制Buck变换器稳态分析

2．3 仿真和实验研究

2．4 PT和PWM技术的对比分析

2．5 本章小结

第3章 开关变换器的多级脉冲序列调制方法

3．1 多级脉冲序列调制方法

3．2 电压型MPT控制技术

3．2．1 控制原理

3．2．2 实现方式

3．2．3 输出电压变化量和控制脉冲的数量比例

3．2．4 控制参数设计

3．2．5 输出电压纹波分析

3．2．6 仿真和实验研究

3．3 电流型MPT控制技术

3．3．1 控制原理

3．3．2 实现方式

3．3．3 输出电压变化量和控制脉冲的数量比例

3．3．4 控制参数设计

3．3．5 输出电压纹波分析

3．3．6 实验研究

3．4 MPT技术的轻载模式

3．5 MPT和PT技术的对比分析

3．6 本章小结

第4章 基于电流基准的脉冲序列控制技术

4．1 CRPT控制技术

4．1．1 控制原理

4．1．2 实现方式

4．1．3 控制参数设计

4．1．4 输出电压变化量和控制脉冲的数量比例

4．1．5 控制脉冲的组合方式

4．1．6 输出电压纹波分析

4．1．7 小信号模型

4．1．8 仿真和实验研究

4．2 CRPT控制Boost和Buck-Boost变换器

4．2．1 CRPT控制Boost变换器

4．2．2 CRPT控制Buck-Boost变换器

4．2．3 基本变换器脉冲数量的通用公式

4．3 CRPT技术的轻载模式

4．4 CRPT、MPT和PT技术的对比分析

4．5 本章小结

第5章 能量迭代模型研究

5．1 开关变换器能量传递的迭代关系

5．2 电压型MPT控制开关变换器的能量迭代模型研究

5．2．1 能量迭代模型

5．2．2 能量轨迹

5．2．3 输出电压迭代关系

5．3 CRPT控制开关变换器的能量迭代模型研究

5．3．1 能量迭代模型

5．3．2 能量轨迹

5．3．3 输出电压迭代关系

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果