DC-DC開關(guān)變換器的低頻大信號分析及控制研究.pdf

1、在分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車、航空航天電源等應(yīng)用中,DC-DC開關(guān)變換器是實(shí)現(xiàn)能量變換與控制的核心環(huán)節(jié),其控制性能的優(yōu)劣直接關(guān)乎整體系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。當(dāng)外部參數(shù)大范圍變化,DC-DC開關(guān)變換器表現(xiàn)為非線性系統(tǒng),傳統(tǒng)小信號的控制設(shè)計(jì)難以確保系統(tǒng)在大信號輸入下的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。現(xiàn)有研究中主要從時(shí)域角度并借用非線性系統(tǒng)理論工具分析與設(shè)計(jì)DC-DC開關(guān)變換器的大信號穩(wěn)定性,使得其數(shù)學(xué)處理上較為復(fù)雜,物理意義不夠直觀。為此,論文以DC-DC開關(guān)變換器為

2、研究對象,從頻域角度開展了低頻大信號分析、穩(wěn)定性評估與大信號控制研究,為電力電子系統(tǒng)的經(jīng)典小信號設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用拓展提供有益補(bǔ)充。
　　首先,提出了閉環(huán)DC-DC開關(guān)變換器大信號頻域穩(wěn)定性的簡便解析評估方法?，F(xiàn)有針對閉環(huán)DC-DC變換器的大信號穩(wěn)定性分析主要基于時(shí)域法,不具備頻域法物理意義直觀、分析簡便的優(yōu)點(diǎn),且對控制環(huán)節(jié)過度簡化處理,對變換器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)作用有限。而現(xiàn)有大信號頻域分析僅僅探討了特定非線性環(huán)節(jié)的單環(huán)變換器系統(tǒng),并未實(shí)

3、現(xiàn)一般性多環(huán)補(bǔ)償DC-DC變換器的穩(wěn)定性分析與控制設(shè)計(jì)。為此,從頻域出發(fā),借助輸入-輸出穩(wěn)定性的理論工具推導(dǎo)出滿足開關(guān)變換器的充分穩(wěn)定條件,建立起小信號環(huán)路增益與大信號穩(wěn)定性之間的關(guān)系,并以此根據(jù)范數(shù)不等式或圓判據(jù)確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定邊界。通過解析分析小信號環(huán)路對大信號穩(wěn)定性的影響,以期達(dá)到小信號與大信號的綜合分析與設(shè)計(jì),為經(jīng)典小信號設(shè)計(jì)提供理論補(bǔ)充。
　　其次,對于級聯(lián)DC-DC開關(guān)變換器,提出了統(tǒng)一的穩(wěn)定性分析模型?，F(xiàn)有級聯(lián)變換

4、器的穩(wěn)定性分析主要基于二端口電網(wǎng)絡(luò)模型,不利于控制系統(tǒng)的分析與綜合,且穩(wěn)定判據(jù)與系統(tǒng)工作模式之間存在尚未被完全認(rèn)識的內(nèi)在聯(lián)系。為此,提出了統(tǒng)一的反饋互聯(lián)系統(tǒng)建模思路,并由此推導(dǎo)出不同工作模式下的次環(huán)路增益,將級聯(lián)變換器的分析與設(shè)計(jì)提升到系統(tǒng)級層面,從而為級聯(lián)DC-DC開關(guān)變換器的分析與設(shè)計(jì)提供參考。
　　再者,探討了基于低頻穩(wěn)態(tài)模型的DC-DC開關(guān)變換器三維頻率特性分析思路。目前面向控制的DC-DC開關(guān)變換器大信號模型通常為非線性

5、系統(tǒng)模型,因此在數(shù)學(xué)處理上主要以時(shí)域法為主,即通過非線性狀態(tài)方程構(gòu)建非線性控制策略,物理意義不夠直觀。為此,基于工作條件低頻慢變的假設(shè)前提,將大信號輸入作用下的DC-DC開關(guān)變換器降解為線性時(shí)變系統(tǒng)模型,以此利用三維伯德圖分析DC-DC變換器在整體工作區(qū)間內(nèi)的頻域特性,為變換器的全局化分析與設(shè)計(jì)提供了簡便且有效的途徑。
　　最后,考慮到現(xiàn)有線性控制在大信號作用下的局限性,提出了一種DC-DC開關(guān)變換器的大信號控制策略。將開關(guān)變換器