基于纹波的开关功率变换器控制技术及其动力学行为研究

摘要

本论文以提高开关功率变换器的稳态性能和瞬态性能以及指导开关变换器电路参数设计为目的，对开关功率变换器的模拟控制技术、数字控制技术、动力学行为进行了深入研究。论文的研究工作主要分为以下三个部分。
　　 第一部分：开关功率变换器的模拟控制技术
　　 揭示了基于输出电压纹波或电感电流纹波信息的开关功率变换器模拟控制技术(峰值电流控制、平均电流控制、谷值电流控制、V2控制、V2C控制)的本质。引入了电感电流权重因子和输出电压权重因子，统一了V2C控制、V2控制和峰值电流控制，形成了基于纹波峰值控制的归一化模拟控制技术。
　　 提出了谷值电压控制技术，对比研究了谷值电压控制和谷值电流控制开关变换器的瞬态性能，结果表明：谷值电压控制具有比谷值电流控制更快的负载瞬态性能。提出了谷值电压/谷值电流控制技术，并指出：谷值电压/谷值电流控制综合了谷值电压控制和谷值电流控制的优点，对负载突变和输入突变都具有快速的响应速度，并且具有良好的抗干扰能力。引入电感电流权重因子和输出电压权重因子，统一了谷值电压/谷值电流控制、谷值电压控制和谷值电流控制，形成了基于纹波谷值控制的归一化模拟控制技术。
　　 第二部分：开关功率变换器的数字控制技术
　　 修正了传统数字控制算法中存在的延迟时间间隔及克服一个开关周期延迟的判断条件。在传统数字控制算法的基础上引入了克服延迟的判断条件，深入研究了克服开关周期延迟的改进型数字控制算法，对比研究了传统数字控制算法和改进型数字控制算法的稳态性能和瞬态性能，研究结果表明：改进型数字控制算法在具有与传统数字控制算法相同的稳态性能的同时，具有比传统数字控制算法更快的负载瞬态响应速度，大大提高了开关变换器的瞬态性能。
　　 提出并研究了基于纹波(纹波峰值、纹波谷值、纹波均值)控制的归一化数字控制算法。研究并比较了基于数字脉冲宽度调制(前缘、后缘、三角前缘、三角后缘)的各种数字控制开关功率变换器的性能，研究结果表明：基于纹波峰值控制的数字算法中，前缘调制具有优异的稳态性能和负载瞬态特性，其次为三角前缘调制；基于纹波均值控制的数字算法中，三角前缘和三角后缘调制具有优异的稳态性能和负载瞬态特性；基于纹波谷值控制的数字算法中，后缘调制具有优异的稳态性能和负载瞬态特性，其次为三角后缘调制。
　　 提出了非对称双缘调制技术，统一了已有的脉冲宽度调制技术，并指出传统的对称双缘调制、后缘调制及前缘调制都是非对称双缘调制的特例。给出了脉冲宽度调制技术(包括后缘、前缘、对称三角后缘、对称三角前缘、非对称三角后缘和非对称三角前缘调制)的通用数字实现。提出并研究了非对称双缘调制传统数字控制和改进型数字控制的算法，研究结果表明：非对称双缘调制具有比传统的单缘调制和对称双缘调制更好的稳态性能和瞬态性能，即非对称双缘调制技术同时保证了数字控制开关功率变换器具有优越的稳态性能和瞬态性能。
　　 提出了采用数值积分法计算平均电感电流的单缘调制数字均值电流控制和改进型数字均值电流控制算法。给出了采用四点均值法计算平均电感电流的前提条件和详细的推导过程。比较了采用数值积分法和四点均值法的单缘调制数字均值电流控制算法的性能特点，结果表明：四点均值法具有比数值积分法更好的稳定性能。提出了数字三角补偿技术，消除了单缘调制数字均值电流控制算法中的次谐波振荡。
　　 第三部分：开关功率变换器的动力学行为
　　 揭示了峰值电流控制技术与谷值电流控制技术、峰值电压控制技术与谷值电压控制技术、峰值电压/峰值电流控制技术与谷值电压/谷值电流控制技术都具有对称性。研究了谷值电流控制(电阻负载或电压源负载)开关变换器的动力学行为，结果表明：当电路参数变化时，谷值电流控制开关变换器具有与峰值电流控制开关变换器相反的倍周期并经边界碰撞分岔到混沌的路线。研究并揭示了峰值电流控制和谷值电流控制(电阻负载或电压源负载)开关变换器存在的对称动力学行为；引入斜率补偿因子，深入研究了斜坡补偿峰值电流和谷值电流控制开关变换器的动力学行为，研究结果表明：斜坡补偿有效地拓宽了峰值电流和谷值电流控制开关变换器的稳定工作区，且不会影响它们的对称动力学行为。
　　 建立了峰值电流和谷值电流控制电流源负载开关变换器的分段光滑开关模型及离散迭代映射模型，对电流源负载开关变换器的动力学行为进行了理论分析、仿真研究和实验研究，揭示了此类开关变换器存在的快标分岔行为、慢标分岔行为、复杂次谐波振荡等动力学行为。