平面磁集成电压调整模块建模方法及磁耦合微分几何解耦控制

摘要

平面磁集成电压调整模块是一种特殊的磁耦合、时变、开关非线性电力电子变换器。由于耦合磁集成技术的引入，变换器建模、特性分析和控制器设计一直都是电压调整模块研究的重点和难点。因而将新的建模分析方法和现代控制理论引入到平面磁集成电压调整模块中，研究高功率密度、高性能的平面磁集成电压调整模块将具有重要的理论价值和实际意义。 本文的研究思路包括以下三个方面：一是研究磁性器件本身集成的建模问题，以优化平面磁集成设计；二是研究平面磁集成电压调整模块整体电路建模问题，以分析它的工作特性；三是研究磁集成磁路耦合问题，以通过微分几何非线性控制方法实现多相磁路的解耦控制，提高平面磁集成电压调整模块稳态和动态特性。 本文具体研究内容如下： (1)分析了多相磁集成阻抗等效模型、对偶模型和回转器类比模型建模方法的理论依据和特点，利用磁路一电路对偶模型和回转器一电容类比模型建立了两相磁集成模型，研究了两相正向耦合和反向耦合磁集成直流偏磁和交流磁通分布特点，由两相磁集成模型推导出通用的多相磁集成模型，为优化磁集成设计和计算方法提供了理论和技术基础。 (2)针对平面磁集成电压调整模块的电路特点，利用磁集成阻抗等效模型对非隔离式两相平面磁集成电压调整模块进行特性分析，提供了反向耦合磁集成优化变换器工作特性的理论依据。采用脉冲波形积分法对两相、多相不含寄生参数和含寄生参数的平面磁集成电压调整模块进行电路建模，从而得到适合于非线性控制的仿射非线性模型。同时对隔离式平面磁集成电压调整模块进行分析，探讨了磁集成结构的演变过程，指出非隔离式平面磁集成电压调整模块的磁路分析和建模方法同样可以应用到隔离式平面磁集成电压调整模块的设计中。 (3)在平面磁集成电压调整模块仿射非线性模型基础上，经过非线性坐标变换，实现了模型的状态反馈精确线性化，由此引入了无限时间输出调节器的二次型最优控制设计方法，提出了平面磁集成电压调整模块磁耦合状态反馈精确线性化解耦控制策略，实现了电压调整模块高性能的动态均流控制和输出电压跟踪控制。文中以两相平面磁集成电压调整模块为对象进行分析和研究，但研究方法可以推广到其他多相平面磁集成电压调整模块中。 (4)在理论研究基础上，进行了集成磁性器件的设计、仿真和实验，同时对两相电压调整模块和两相平面磁集成电压调整模块进行了微分几何非线性解耦控制的样机实验。实验表明，反向耦合磁集成极大地改善电压调整模块稳态特性，微分几何非线性解耦控制比现有的PID控制有更好的动态响应均流特性，较好地实现磁耦合的解耦控制，实验研究证明了论文理论研究的正确性。课题的研究成果将对电压调整模块特性分析、建模理论和控制技术的发展起到积极地推动作用，具有较好的应用前景和实际意义。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章多相磁集成的阻抗等效模型、对偶模型和回转器类比模型

第三章平面磁集成电压调整模块特性分析与建模

第四章平面磁集成电压调整模块磁耦合微分几何耦控制

第五章平面磁集成电压调整模块设计及性能实验

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表和撰写的论文

致谢