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宽输入范围高动态响应放电调节器的研究

电源学报 2022年第5期20卷 119-124页

作者：吴玉哲程新杨华邱燕上海空间电源研究所上海201100

为了满足放电调节电路宽输入范围、高动态响应的要求,针对100 V母线电压的电源控制器放电调节器进行设计,提出基于精确小信号模型的电压电流双闭环控制环路设计方案。通过波特图和仿真分析验证控制回路的稳定性和合理性。最后给出了1.8... 详细信息

为了满足放电调节电路宽输入范围、高动态响应的要求,针对100 V母线电压的电源控制器放电调节器进行设计,提出基于精确小信号模型的电压电流双闭环控制环路设计方案。通过波特图和仿真分析验证控制回路的稳定性和合理性。最后给出了1.8 kW样机的实验结果,验证了理论分析的正确性。

关键词：宽输入范围高动态响应放电调节器双环控制精确小信号模型

宽输入范围高效率Buck变换器的研究与设计

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宽输入范围高效率Buck变换器的研究与设计

作者：桑庆华合肥工业大学

学位级别：硕士

随着科学技术的快速发展,电力电子设备的数量和种类快速增长,给人们的生活和工作带来了极大的改善,这同样也要求为电力电子设备供电的电源管理芯片适应性更强。开关电源作为电源管理芯片一种,因其具有低纹波、强带载能力和高效率等特点... 详细信息

随着科学技术的快速发展,电力电子设备的数量和种类快速增长,给人们的生活和工作带来了极大的改善,这同样也要求为电力电子设备供电的电源管理芯片适应性更强。开关电源作为电源管理芯片一种,因其具有低纹波、强带载能力和高效率等特点,被广泛应用于工业和生活领域中。由于汽车电子、工业装置等场合需要电源管理芯片将宽范围的输入电压转换为合适的电平,因此关于降压型(Buck)开关电源变换器的研究受到了许多学者和工程师的青睐。本文针对宽输入范围高效率Buck变换器展开研究,完成了一款峰值电流控制模式的Buck变换器。首先,从变换器的基础知识入手,选择综合性能更加稳定的峰值电流控制模式作为本文的环路控制方式。针对Buck变换器高效率的特点,对系统损耗进行分析和优化,采用同步整流结构,并利用电流镜电压跟随的特点对传统采样电路进行改进,实现了较低功耗下高精度采样的目标,此外,驱动电路采用窄脉冲信号传输和死区时间优化处理的方式以降低功耗。然后,从系统层次出发,针对传统Buck变换器输入电压范围较窄的问题,采用高压预处理电路和高压线性稳压电源模块进行改善。预处理电路为带隙基准和线性稳压电源提供偏置电压,线性稳压电源负责将宽范围的输入电压转换为稳定的5V输出,提供给变换器内部电路。针对电压环路稳定性问题,进行小信号建模分析,设计合适的零极点分布以及频率补偿电路,保证变换器的系统稳定性,并基于Simplis平台进行了仿真验证。最后,对变换器的内部软启动、误差放大器、驱动模块等关键子电路进行设计并完成了仿真验证。本文采用0.18μm BCD工艺进行电路设计,基于Cadence Spectre仿真工具完成验证,仿真结果表明:输入电压6～60V时,可稳定输出电压5V;在60V的输入电压下,输出电压纹波不超过5.8m V;典型情况的12V输入电压下,峰值效率达93%,150m A负载跳变的过冲或下冲均小于输出电压的2%,瞬态恢复时间小于150μs,负载调整率为0.0174%。

关键词： Buck变换器宽输入范围峰值电流模电压环路稳定性

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宽输入范围串联半桥LLC谐振变换器研究

宽输入范围串联半桥LLC谐振变换器研究

作者：朱小伟北京交通大学

学位级别：硕士

随着能源危机和环境污染的日益严重,新能源的开发与利用变得至关重要。在新能源发电系统的诸多应用中,DC/DC变换器是不可或缺的一环,通常要求其具有输入范围宽、转换效率高等特性。本文以串联半桥LLC谐振变换器为研究对象,重点研究如何... 详细信息

随着能源危机和环境污染的日益严重,新能源的开发与利用变得至关重要。在新能源发电系统的诸多应用中,DC/DC变换器是不可或缺的一环,通常要求其具有输入范围宽、转换效率高等特性。本文以串联半桥LLC谐振变换器为研究对象,重点研究如何拓宽增益范围和平衡电容电压,使其更加适用于新能源发电领域。针对串联半桥LLC谐振变换器增益范围窄的问题,本文改进了副边整流网络的拓扑结构,提出了一种四段式变模态控制策略。该控制策略结合三电平变占空比(TL-PWM)、三电平移相(TL-PSM)、倍频变占空比(DF-PWM)和倍频变频(DF-PFM)四种模态,拓宽了变换器的增益范围,并且所有模态下开关管均具有良好的软开关特性。文中详细分析了各个模态的工作原理,通过简化的时域分析,获得较为准确的增益表达式。此外,讨论了四种模态的组合与切换过程,并通过软件仿真对理论分析进行了验证。针对TL-PWM和TL-PSM模态电容电压不平衡的问题,提出了一种基于冗余工作模式切换的电容电压控制策略。该控制策略具有两种工作模式,这两种模式对电容电压的作用相反。根据电容电压的偏移状态,选择合适的工作模式,从而实现对电容电压的控制。文中详细分析了电容电压偏移的原因,研究了两种模式的工作原理及其切换方法。此外,根据中点电流和电容电压的关系,阐述了DFPWM和DF-PFM模态电容电压自动平衡的机理。完成了主电路参数计算、硬件设计以及DSP控制软件编程,搭建了一台输入电压110V～440V,输出电压400V,额定功率1000W的实验样机。实验结果表明:四段式变模态控制策略在保证效率的同时具有较宽的增益范围,基于冗余工作模式切换的电容电压控制策略具有良好的均压效果。

关键词：三电平串联半桥 LLC 宽输入范围变模态电容电压平衡

宽输入范围的电流模降压型DC/DC的研究与设计

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宽输入范围的电流模降压型DC/DC的研究与设计

作者：柯普仁电子科技大学

学位级别：硕士

随着电子科学和技术的高速发展,人们对于消费类电子产品的需求量也不断增长,例如平板电脑、笔记本电脑和智能手机之类的电子产品逐步走入了千家万户中。作为电子产品的心脏,电源的性能会最直接地影响电子产品的续航和使用寿命。开关电... 详细信息

随着电子科学和技术的高速发展,人们对于消费类电子产品的需求量也不断增长,例如平板电脑、笔记本电脑和智能手机之类的电子产品逐步走入了千家万户中。作为电子产品的心脏,电源的性能会最直接地影响电子产品的续航和使用寿命。开关电源有转换效率高、成本低、体积小等一系列优点,因此被广泛应用于电源管理市场,并且不断扩大着市场份额。作为开关电源的重要组成部分,DC/DC变换器能够达成对直流电压的有效变换,即升压、降压、升降压和反极性等变换。因此,DC/DC变换器被广泛应用于平板电脑、笔记本电脑、智能手机和MP3/4等电子设备中。本文的研究目的是设计一款具有宽输入范围的电流模降压型DC/DC变换器。该芯片具有较宽的输入电压范围(4.5 V-38 V),针对输入电压可能存在的高压情况,本文对内部电源LDO进行了一定程度的改进,并设计了其欠压保护电路以保证LDO的正常工作。同时,该DC/DC变换器具备可调的输出电压(0.6 V-5.5 V)、较大的功率密度(最高20 A的负载电流)、可调的工作频率(220 kHz-2 MHz)。同时,应用了电流控制模式,从而系统有较快速的瞬态响应,应用了同步整流技术,从而使得系统的导通损耗大大减少且增大了系统的转换效率。本文首先介绍了开关电源的发展及其未来趋势,继而介绍DC/DC变换器的基本分类、相关工作原理、调制方式和控制模式,且对它们的优缺点进行了对比。在此基础上讨论和分析了芯片的主要指标、关键参数、功能模块、外部元器件选择以及系统的具体工作原理。本论文重点完成了系统部分子模块电路的仿真设计,具体子模块电路包括:LDO电路、内部电源欠压保护电路、同步整流管栅驱动电路、模式选择电路的分析设计等等。并在Hpice等相关软件环境和CSMC 0.25μm BCD工艺(Bipolar、CMOS、DMOS)下对相应电路进行仿真验证,确定子模块电路满足设计指标后,进而对系统整体电路进行了仿真验证,结果证明芯片具有良好的性能,基本达到了系统指标。

关键词：宽输入范围 LDO Buck变换器

宽输入范围DC/DC变换器及其效率提升方法研究

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宽输入范围DC/DC变换器及其效率提升方法研究

作者：刘树峰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

DC/DC变换器被广泛应用在我们日常生活中的各个领域,发挥着举足轻重的作用。在一些特殊应用领域,如新能源发电、矿井供电、军工设备供电等都要求DC/DC变换器具备适应宽输入电压范围的要求。当DC/DC变换器输入范围变宽时,会导致损耗增加... 详细信息

DC/DC变换器被广泛应用在我们日常生活中的各个领域,发挥着举足轻重的作用。在一些特殊应用领域,如新能源发电、矿井供电、军工设备供电等都要求DC/DC变换器具备适应宽输入电压范围的要求。当DC/DC变换器输入范围变宽时,会导致损耗增加,散热需求增大,效率、功率密度、寿命与可靠性降低等诸多不利影响。为此,本文对宽输入范围DC/DC变换器及其效率提升方法进行了研究。本文采用四开关Buck-Boost(Four-Switch Buck-Boost,FSBB)作为宽输入范围DC/DC变换器主电路拓扑,详细阐述了FSBB的基本推导、工作原理、增益特性;对FSBB变换器的控制方法进行了详细研究,对FSBB的对管同步控制、双沿控制、交错控制等五种硬开关控制方法以及软开关对管同步控制、ZVS BuckBoost控制、改进ZVS Buck-Boost控制三种软开关控制方法的驱动时序、软开关实现条件、工作模态进行了分析;以提高FSBB变换器直接功率比重为准则,采用理论分析和损耗建模相结合的方法确定了宽输入范围下实现FSBB变换器效率最优的三模式控制策略;对三种模式下FSBB变换器建立了小信号模型进行闭环控制器设计,并使用PLECS软件进行闭环仿真对三种模式下系统的静态特性和动态特性进行测试来验证控制器参数设计的正确性。最后制作了一台50-400V输入,200V/2A输出的实验样机,在1:8的宽输入范围下对FSBB变换器进行了基本功能验证、三模式切换、软开关实现、效率测试等实验,验证本文理论分析和设计的正确性。

关键词：宽输入范围高效率软开关柔性拓扑变频控制

宽输入范围交错并联DCM Boost PFC变换器控制策略研究

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宽输入范围交错并联DCM Boost PFC变换器控制策略研究

作者：林凯西南交通大学

学位级别：硕士

功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)变换器广泛用于交直流功率转换,以实现高功率因数(Power Factor,PF)与低输入电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)。Boost PFC变换器是最常用的PFC变换器之一,其输入侧电感有利于... 详细信息

功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)变换器广泛用于交直流功率转换,以实现高功率因数(Power Factor,PF)与低输入电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)。Boost PFC变换器是最常用的PFC变换器之一,其输入侧电感有利于抑制输入电流高次谐波。Boost PFC变换器的设计通常以宽输入范围、高功率密度、高效率为目标,本文研究了一种适用于宽输入范围的交错并联DCM Boost PFC变换器控制策略。本文分析了交错并联DCM Boost PFC变换器的拓扑结构和工作原理,分析了宽输入电压时变换器输入电流畸变和PF值降低的原因。研究了一种变占空比控制策略,可在宽输入电压范围内使变换器PF值为1并且减小输入电流畸变。同时,DCM Boost PFC变换器能够实现“自动电流整形”,无需高带宽电流内环,适用于交流输入频率高达800Hz的现代航空应用场合。Boost PFC变换器在启机瞬间产生较大的浪涌电流。本文分析了浪涌电流产生的原因,研究了一种数字可控桥新型浪涌电流抑制电路,无需使用浪涌抑制电阻,提高了变换器的功率密度。分析了启机时间与浪涌电流的关系,研究了数字可控桥的控制原理,给出了触发电路设计。本文推导了交错并联DCM Boost PFC变换器的损耗计算模型,研究了一种优化变换器轻载效率的切相控制策略,基于非线性数字控制,提出了一种改善变换器切相瞬态响应性能的控制策略。分析了限制变换器电压控制环路带宽的因素,研究了一种非线性PI瞬态优化方法。本文研究了变占空比控制的数字实现方法,对交错并联DCM Boost PFC变换器进行小信号分析,推导了变换器控制信号与输出电压的小信号传递函数,给出了数字控制实现的电压控制环路分步设计方法。最后,计算了变换器功率器件电压、电流应力,设计了升压电感和直流母线电容参数,搭建了350W实验样机。实验结果表明,本文研究的控制策略能够在宽输入范围(85-264Vac,47-800Hz)内保证变换器具有高功率因数、低THD、高效率、快速瞬态响应、小启机浪涌电流等良好性能。

关键词：交错并联变占空比控制浪涌电流瞬态响应宽输入范围高效率

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宽输入范围LLC谐振变换器控制策略研究

宽输入范围LLC谐振变换器控制策略研究

作者：刘闯合肥工业大学

学位级别：硕士

目前世界范围内处于能源紧缺状态,能源越来越成为决定国家综合竞争力的关键因素。新能源发电技术由于其清洁高效等优点是国家未来的发展重点,但新能源发电单元容易受到气候和天气的影响,造成输出电压波动较大。为了给后级变换器一个稳... 详细信息

目前世界范围内处于能源紧缺状态,能源越来越成为决定国家综合竞争力的关键因素。新能源发电技术由于其清洁高效等优点是国家未来的发展重点,但新能源发电单元容易受到气候和天气的影响,造成输出电压波动较大。为了给后级变换器一个稳定的直流母线电压,需要在发电单元和后级变换器之间加入一个宽输入范围的DC/DC变换器。LLC谐振变换器由于其高效高功率密度等优点最为合适,但LLC谐振变换器容易受电压波动影响。因此本文重点研究宽输入范围下LLC谐振变换器的拓扑结构和控制策略。针对两电平全桥LLC谐振变换器变频控制和定频控制的优缺点,本文采用将两种控制方式进行结合。当输入电压较低时采用变频控制策略,当输入电压较高时采用定频控制策略,这种定频控制和变频控制相结合的混合控制策略可以有效提高LLC变换器输入电压范围;当LLC变换器输出电流较大时副边开关管损耗会变大,为了减小开关管的损耗,本文提出了一种新型的同步整流技术。该种同步整流方法不需要添加额外的辅助电路,既提高了 LLC谐振变换器的效率,又没有增加额外的成本;BUCK-LLC两级DC/DC变换器,前级变换器可以稳定发电单元的电压波动,后级LLC谐振变换器可以提高变换器的效率,比较适合应用于宽输出范围的新能源发电系统中。本文分析了 BUCK-LLC两级变换器的拓扑结构,并进行了小信号建模分析。针对BUCK-LLC两级变换器本文提出了双环定频的控制策略,使得变换器适用于宽输入电压范围。为了验证本文LLC谐振变换器的拓扑结构和控制策略,在实验室搭建了一台300W的原理样机。实验结果证明本文采用的控制策略可以使LLC谐振变换器输入电压范围变宽,适合工作于新能源发电系统中。

关键词：宽输入范围混合控制同步整流两级变换器双环定频控制

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一种宽输入范围高电源抑制比的带隙基准源

微电子学 2015年第4期45卷 417-420页

作者：韩雨衡赵少敏刘增鑫贺娅君华浩翔张国俊电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室成都610054

基于CSMC 0.5μm BCD工艺,设计了一种具有高电源抑制比的带隙基准电路。此电路可以在较宽电源电压(4~36V)范围内实现较小的温度系数变化,-40℃~125℃范围内的温度系数为8.93×10-6/℃~9.02×10-6/℃。通过将基准参考点设置于负反馈环路... 详细信息

基于CSMC 0.5μm BCD工艺,设计了一种具有高电源抑制比的带隙基准电路。此电路可以在较宽电源电压(4~36V)范围内实现较小的温度系数变化,-40℃~125℃范围内的温度系数为8.93×10-6/℃~9.02×10-6/℃。通过将基准参考点设置于负反馈环路中,能够有效地提高基准电路的电源抑制性能。当电源电压为4~36V时,电源抑制比分别为-132^-98dB@dc,-54.7^-55.5dB@1 MHz,线性调整率为0.009%/V,满足DC-DC转换器的应用需求。

关键词：带隙基准宽输入范围高电源电压抑制 DC-DC转换器

基于独立光储系统宽输入范围三端口变换器的研究

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基于独立光储系统宽输入范围三端口变换器的研究

作者：祝庆同天津工业大学

学位级别：硕士

由于煤炭、石油等传统不可再生能源的日益短缺以及气候问题面临的挑战,以太阳能为代表的新能源得到了普遍的关注和发展。传统两端口变换器用于带有储能设备的新能源发电系统,存在变换器数量多、体积大、功率密度低等问题。相较之下,三... 详细信息

由于煤炭、石油等传统不可再生能源的日益短缺以及气候问题面临的挑战,以太阳能为代表的新能源得到了普遍的关注和发展。传统两端口变换器用于带有储能设备的新能源发电系统,存在变换器数量多、体积大、功率密度低等问题。相较之下,三端口变换器(Three-Port Converter,TPC)只需要一个变换器便能够完成光伏电池、蓄电池和负载之间的能量管理与功率控制,具有成本低、效率高、集成度高和能量管理集中等优点。非隔离型TPC由于没有变压器对各端口间电压进行变换,端口间电压约束往往较为严重,使其应用场合受限,因此研究通过非隔离型TPC端口间的拓扑实现降压、升压或升降压功能,从而适应光伏电池端口电压变换是非常有必要的。本文研究内容如下:文章首先根据端口间能量关系,介绍了TPC四种一般工作模式,总结分析直接组合法构造三端口拓扑的原理和特点,并以该方法基于四开关Buck-Boost(Four-Switch Buck-Boost,FSBB)变换器提出一种宽输入范围TPC,该变换器能够工作在光伏电池电压大于或小于蓄电池电压的情况下,以FSBB变换器和Boost变换器组合得到的宽输入范围TPC为例,进行工作原理和稳态特性分析,并通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提拓扑及其工作原理的正确性与可行性。其次,对FS-Boost TPC的能量管理策略进行设计,能量管理策略需要实现最大功率点跟踪、蓄电池保护和输出电压稳定三个功能。通过判断端口间功率关系和蓄电池的状态,使其能够在不同工作模式以及不同端口电压关系之间切换,并通过MATLAB/Simulink仿真验证了其能量管理策略的可行性。然后,依据前文研究内容的基础上,搭建了一台FS-Boost TPC原理样机,并完成了稳态实验、模式切换实验和功率阶跃实验,验证了FS-Boost TPC拓扑和能量管理策略的正确性与可行性。最后,为进一步减小TPC的体积,拓宽其工作范围,以一种新的TPC构造思路:直接构造法,基于FSBB变换器提出一种单电感宽输入范围TPC,该变换器仅使用了一个电感且对光伏电池端口无电压限制,光伏电池电压可大于或小于蓄电池和负载电压,对其各工作模式下的工作模态及端口间电压关系进行分析,并通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提拓扑及其工作原理的正确性与可行性。

关键词：拓扑构造三端口变换器电压约束宽输入范围四开关Buck-Boost 能量管理策略