DC-DC變換器中電流觀測(cè)器及先進(jìn)數(shù)字控制策略研究.pdf

1、開關(guān)電源變換器作為一種功率變換電路，相比傳統(tǒng)的功率變換器具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于各類供電系統(tǒng)。由于開關(guān)電源變換器在集成度、功耗和應(yīng)用靈活性等方面的要求越來(lái)越高，其數(shù)字化控制已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。如何提高數(shù)字控制變換器的靜動(dòng)態(tài)性能，是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。本論文以提高開關(guān)電源變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)壓精度為目的，研究了連續(xù)電流模式(CCM)和不連續(xù)電流模式(DCM)下，變換器的多種模型、電流觀測(cè)器和先進(jìn)數(shù)字電流模式控

2、制策略。
　　在變換器模型的研究方面，為了簡(jiǎn)化建模過程并便于建立包含寄生參數(shù)的精確模型，采用新的全微分法進(jìn)行小信號(hào)建模。針對(duì)CCM變換器，分別建立了其基本小信號(hào)模型和精確小信號(hào)模型。通過仿真，驗(yàn)證了寄生參數(shù)對(duì)系統(tǒng)型別和零極點(diǎn)的影響。相比基本小信號(hào)模型，精確小信號(hào)模型可以更準(zhǔn)確地描述變換器的中低頻特性。針對(duì)DCM變換器，建立了其基本小信號(hào)模型，并證明它可以較準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)頻率特性。進(jìn)而，考慮寄生參數(shù)效應(yīng)對(duì)電感電流的衰減作用，建立了D

3、CM變換器的精確電流模型。相比基本電流模型，精確電流模型可以更準(zhǔn)確地描述變換器的電感電流和平均輸出電流。CCM和DCM變換器模型的研究為電流觀測(cè)器和先進(jìn)數(shù)字電流模式控制器的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　在先進(jìn)數(shù)字電流模式控制策略研究方面，分別基于CCM和DCM變換器展開研究。對(duì)于CCM變換器，研究了其數(shù)字無(wú)差拍電流模式控制和數(shù)字預(yù)測(cè)電流模式控制。其中，數(shù)字無(wú)差拍電流模式控制通過線性外插對(duì)下個(gè)周期的電流進(jìn)行估計(jì)，從而提前一個(gè)周期獲取電感

4、電流。進(jìn)而，通過計(jì)算下個(gè)節(jié)拍的占空比，將電感電流在兩個(gè)周期內(nèi)調(diào)整至參考電流。數(shù)字預(yù)測(cè)電流模式控制利用已知信息對(duì)電感電流斜率進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而對(duì)電流進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制，可在一個(gè)周期內(nèi)將電流調(diào)整至參考值。為了提升DCM變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，研究了其數(shù)字電荷平衡控制策略，通過控制輸出電容的充電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)快速電壓調(diào)整。其中，由電流觀測(cè)器對(duì)輸出電流進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而電壓控制器根據(jù)估計(jì)電流和電荷平衡原理產(chǎn)生參考電流。最終，電流控制器根據(jù)參考電流對(duì)變換器輸出電流

5、進(jìn)行控制，完成輸出電容的電荷再平衡。
　　針對(duì)基于電流觀測(cè)器的數(shù)字預(yù)測(cè)電流模式控制，研究了寄生參數(shù)對(duì)電流觀測(cè)精度和輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差的影響。通過變換器的精確小信號(hào)模型，對(duì)控制進(jìn)行了深入分析，并證明變換器的寄生參數(shù)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電流觀測(cè)誤差，使觀測(cè)電流發(fā)散，最終降低變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，并引起輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差。進(jìn)而，提出了觀測(cè)器的綜合補(bǔ)償和自矯正補(bǔ)償策略。其中，綜合補(bǔ)償策略包含對(duì)電流觀測(cè)器的補(bǔ)償和對(duì)采樣電壓的補(bǔ)償，分別用于修正寄生參數(shù)和

6、輸出電壓紋波對(duì)電流觀測(cè)精度的影響。自矯正補(bǔ)償策略則在電流觀測(cè)器的輸出端引入積分反饋，進(jìn)而對(duì)觀測(cè)電流自身進(jìn)行矯正。通過設(shè)計(jì)合適的矯正系數(shù)，可獲得較快的觀測(cè)電流收斂速度和輸出電壓響應(yīng)速度。最終，通過建模、仿真和實(shí)驗(yàn)，證明這兩種補(bǔ)償策略都能夠使觀測(cè)電流收斂，并消除輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。
　　針對(duì)基于DCM變換器精確電流模型的數(shù)字電荷平衡控制，發(fā)現(xiàn)其電流觀測(cè)器和電流控制器分別存在觀測(cè)電流誤差和參考電流誤差，并證明造成誤差的