輸出寬范圍連續(xù)可調(diào)的變結(jié)構(gòu)恒功率電源的研究.pdf

1、輸出寬范圍連續(xù)可調(diào)的恒功率電源是開關(guān)電源諸多應(yīng)用領(lǐng)域中的一種特殊應(yīng)用,因其具有輸出電壓可調(diào)范圍寬、穩(wěn)態(tài)工作點變化范圍大及恒功率輸出功能等特點,此類開關(guān)電源存在著占空比變化范圍大、設(shè)備利用率低、體積大、成本高和效率低等問題,限制了其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。本論文以寬范圍恒功率電源為研究對象,從寬范圍變換器的電路拓撲、通用結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、動靜態(tài)性能、全局穩(wěn)定性和控制方法等方面探討了寬范圍恒功率電源的相關(guān)技術(shù),并提出了若干新思路及分析方法。

2、>　　 為減小寬范圍恒功率電源設(shè)備利用率低、體積大和成本高的問題,提出了一種新的變結(jié)構(gòu)變換器的構(gòu)成思路,通過增加輔助開關(guān)和二極管,控制變結(jié)構(gòu)變換器在高電壓輸出時串聯(lián)工作,大電流輸出時并聯(lián)工作,既拓展了輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍,又有效地實現(xiàn)了分壓和分流,減小了系統(tǒng)的設(shè)計容量、器件的應(yīng)力及成本,保證了全輸出電壓范圍內(nèi)的高效率。在變結(jié)構(gòu)變換器的基本構(gòu)成上,提出了嵌套型多級變結(jié)構(gòu)變換器的通用結(jié)構(gòu),給出了優(yōu)化的工作狀態(tài)序列,并建立了通用結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

3、,為變結(jié)構(gòu)變換器多級應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　 變結(jié)構(gòu)變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及穩(wěn)態(tài)工作點都需要變化,為保證變結(jié)構(gòu)變換器在全輸出電壓范圍內(nèi)具有相同的相對穩(wěn)定性和負載動態(tài)性能,針對不同的控制方式,分析了其性能影響的變化趨勢,并提出了相應(yīng)的改善措施。對于單電壓環(huán)控制,提出采用自適應(yīng)采樣系數(shù)的方法,消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化對負載動態(tài)性能的影響;對于電壓-電感電流雙環(huán)控制時,系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性能及負載動態(tài)性能,不受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及穩(wěn)態(tài)工作點變化的影響;對于電壓-輸

4、入電流雙環(huán)控制,提出采用電壓基準值前饋的方法,消除了穩(wěn)態(tài)工作點變化對系統(tǒng)性能的影響,完善了寬范圍變結(jié)構(gòu)變換器的理論體系。
　　 為保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的平滑切換,根據(jù)變結(jié)構(gòu)變換器的工作特點,提出了占空比跳變的非線性平滑切換控制策略。在結(jié)構(gòu)切換時,依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,按一定比例突變占空比,有效減小了電感電流的尖峰,實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的平滑切換和輸出電壓的平滑調(diào)節(jié)。
　　 針對寬范圍恒功率電源的數(shù)字控制方式,歸納總結(jié)了實際應(yīng)用中的各

5、種延時情況,建立了其相應(yīng)的延時離散小信號模型,分析了延時對系統(tǒng)性能的量化影響,提出了一種簡單有效、不依賴于系統(tǒng)模型、魯棒性好的占空比預(yù)測延時補償算法。在此基礎(chǔ)上,把基于線性外推的占空比預(yù)測控制算法成功用于數(shù)字控制的寬范圍變結(jié)構(gòu)變換器中,達到了預(yù)期的效果。
　　 為保證級聯(lián)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性,依據(jù)輸出寬范圍連續(xù)可調(diào)恒功率電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),研究了變結(jié)構(gòu)變換器輸入輸出阻抗與系統(tǒng)參數(shù)及控制器參數(shù)的關(guān)系,應(yīng)用Middlebrook穩(wěn)定性判據(jù)對

6、級聯(lián)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性進行了理論及仿真分析,結(jié)果表明,系統(tǒng)的輸出功率、前級變換器的濾波電容和控制環(huán)的相位裕度會影響級聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,文中對這些敏感參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計,保證了級聯(lián)系統(tǒng)在全輸出電壓范圍內(nèi)和全負載范圍內(nèi)的全局穩(wěn)定性。該分析方法及結(jié)論為相關(guān)的寬范圍變結(jié)構(gòu)變換器級聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　 成功研制了一臺輸出40V-600V寬范圍連續(xù)可調(diào)的數(shù)字控制的變結(jié)構(gòu)恒功率電源樣機,該寬范圍恒功率電源的各項性能基本滿足設(shè)