开关电源DC/DC变换器电路参数及新拓扑研究

摘要

DC/DC变换器作为开关电源(Switch Mode Power Supply，SMPS)系统重要组成部分，当其电路参数和拓扑结构改变时，系统呈现出丰富的非线性特性，影响SMPS系统稳定性和工作特性。本文研究DC/DC变换器电路参数对SMPS系统稳定性影响，为DC/DC变换器应用于SMPS系统时的电路参数设计提供依据。并且针对DC-DC电路拓扑不具有普适性问题，研究一种新型的DC-DC变换器电路拓扑，研究该变换器工作原理、参数特性和参数设计方法，并进行实验验证。
　　 本文主要研究内容包括：⑴在建立BUCK变换器精确状态方程基础上，搭建电压反馈型BUCK变换器无差仿真模型，研究不同电路参数对VCBUCK变换器稳定性影响。研究结果表明，输入电压、储能电感、输出滤波电容、误差比例系数是影响VCBUCK变换器稳定性的关键电路参数，积分系数和负载对VCBUCK稳定性影响较小。⑵在研究电压反馈型双端DC/DC变换器各开关模态的基础上，指出可将其等效为开关频率加倍的VCBUCK变换器，利用等效VCBUCK变换器仿真模型研究不同电路参数对双端DC/DC变换器稳定性的影响。研究结果表明，电路参数对其稳定性影响与VCBUCK变换器类似。⑶在构建电流反馈型BUCK变换器双闭环仿真模型基础上，研究不同电路参数对其稳定性影响。研究结果表明，输入电压、输出滤波电容、误差比例系数是影响PCCBUCK变换器稳定性的关键参数，而储能电感、积分系数和负载在一定范围内变化时对PCCBUCK变换器的稳定性影响较小；VCCBUCK变换器稳定性对输入电压、储能电感、输出滤波电容、误差比例系数敏感，而当积分系数和负载在一定范围内改变时不影响VCCBUCK变换器稳定性，且输入电压对二者稳定性影响过程相反。⑷在建立BOOST变换器精确状态方程基础上，搭建电流反馈型BOOST变换器双闭环仿真模型，研究不同电路参数对其稳定性影响。研究结果表明，输入电压是影响其稳定性的关键参数，输入电压的变化会使系统由周期1态经倍周期分岔最后激变至混沌态，且输入电压对PCCBOOST变换器与VCCBOOST变换器稳定性影响过程相反，其它电路参数对电流反馈型BOOST变换器稳定性影响较小。⑸提出一种新型变换器拓扑-并联谐振倍压变换器(PRDVC)，在分析该变换器电路拓扑和建立其状态方程基础上，研究该变换器的工作模式、参数特性和参数优化设计方法。研究结果表明，PRDVC有如下优点：①利用谐振技术实现了软开关，提高了开关频率和变换效率；②PRDVC拓扑吸收利用了高频变压器分布电容和漏感，减少了分布参数对系统稳定性影响，有效改善电源系统的EMC，使其稳定可靠工作；③利用倍压整流电路和变压器来共同完成升压任务，使得变压器制作难度和体积减小，满足了高压电源小型化要求。