脉冲序列控制Cuk变换器低频振荡抑制研究

摘要

Cuk变换器具有输入电压范围宽、可输出升压或降压、驱动电路简单的优点，是一种性能优异的开关变换器，已在光伏逆变器、整流器、功率因数校正、无功补偿等领域得到了广泛应用。为了提高Cuk变换器的负载瞬态性能，本文提出脉冲序列(Pulse Train, PT)控制Cuk变换器。然而，PT控制Cuk变换器工作在电感电流连续导电模式(Continuous Conduction Mode, CCM)时存在低频振荡现象，严重影响了其稳态和瞬态性能。因此，研究PT控制CCMCuk变换器的低频振荡抑制具有重要意义。　　首先，本论文以PT控制Cuk变换器为研究对象，详细分析了PT控制电感电流断续导电模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)Cuk变换器及PT控制CCMCuk变换器的工作原理。根据能量守恒，建立了理想情况、仅考虑输出电容等效电阻(Equivalent Series Resistance, ESR)、同时考虑输出电容ESR及中间电容ESR的PT控制Cuk变换器能量模型。综合CCM模式、DCM模式、输出电容ESR和中间电容ESR等因素，揭示了PT控制Cuk变换器发生低频振荡的本质。研究结果表明：PT控制CCMCuk变换器产生的低频振荡不仅与输出电容ESR相关，而且还与中间电容ESR密切相关；Cuk变换器仅增加输出电容ESR并不能有效抑制低频振荡现象，需要同时增大输出电容ESR和中间电容ESR才能达到理想的抑制效果。　　其次，提出了PT控制DCM-CCMCuk变换器，并分析了其工作原理和工作特性。考虑输出电容ESR的影响，建立了PT控制DCM-CCMCuk变换器的非理想能量模型。在此基础上，探究了PT控制DCM-CCMCuk变换器有效抑制低频振荡现象的内在机理，给出了该方案在其他高阶变换器中的拓展拓扑结构。推导了DCM-CCM工作域的临界表达式，为主电路参数设计提供理论依据。研究结果表明：PT控制DCM-CCMCuk变换器能有效抑制低频振荡现象；与PT控制CCMCuk变换器相比，PT控制DCM-CCMCuk变换器具有更好的负载瞬态性能，更高的稳态精度及工作效率。实验验证了理论分析的正确性。　　最后，为了抑制PT控制CCMCuk变换器低频振荡，提出了PT控制电容电压断续模式(Discontinuous Capacitor Voltage Mode, DCVM)Cuk变换器。分析了PT控制DCVMCuk变换器的工作原理、能量递进传输特性、抑制低频振荡的内在机理以及输出电压纹波特性。研究结果表明：相比PT控制CCMCuk变换器，PT控制DCVMCuk变换器能有效抑制低频振荡，且具有较好的负载瞬态性能；输出电压纹波较小，且与脉冲循环周期数呈负相关，与单个开关周期内输出电容电压变化量呈正比。实验验证了理论分析的正确性。

目录

声明

第1 章 绪 论

1.1 引言

1.2 Cuk 变换器及其控制技术研究现状

1.3 脉冲序列控制DC-DC变换器及其低频振荡抑制研究现状

1.3.1 PT控制技术的改进

1.3.2 辅助电路的设计

1.3.3 发展应用

1.4 脉冲序列控制控制DC-DC变换器建模方法

1.5 论文的主要工作

第2 章 脉冲序列控制Cuk变换器低频振荡分析

2.1 引言

2.2 PT控制DCM Cuk 变换器

2.2.1 工作原理

2.2.2 能量模型

2.3 PT控制CCM Cuk 变换器低频振荡分析

2.3.1 工作原理

2.3.2 能量模型

2.4 仿真分析

2.4.1 PT控制DCM Cuk变换器

2.4.2 PT控制CCM Cuk变换器

2.5 本章小结

第3 章 脉冲序列控制DCM-CCM Cuk 变换器

3.1 引言

3.2 PT控制DCM-CCM Cuk 变换器

3.2.1 工作原理

3.2.2 低频振荡抑制

3.2.3 拓展性

3.3 主电路参数设计

3.3.1 输入电感

3.3.2 输出电感

3.3.3 DCM-CCM工作域

3.3.4 中间电容电压应力

3.4 实验分析

3.4.1 稳态性能分析

3.4.2 负载瞬态性能分析

3.4.3 效率对比

3.4.4 与现有文献对比

3.5 本章小结

第4章 脉冲序列控制中间电容电压断续模式Cuk变换器

4.1 引言

4.2 PT控制DCVM Cuk 变换器

4.2.1 工作原理

4.2.2 低频振荡抑制

4.3 工作特性分析

4.3.1 递进传输特性

4.3.2 输出电压纹波特性

4.4 主电路参数设计

4.4.1 中间电容

4.4.2 高、低占空比

4.4.3 输入、输出电感

4.5 实验分析

4.5.1 稳态性能分析

4.5.2 负载瞬态性能分析

4.5.3 对比分析

4.6 本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果