基于边界控制理论的电力电子变换器的研究

论文摘要

电力电子变换器是开关电源的核心技术,电力电子变换器的控制是功率电子学的重要研究领域。目前其控制主要采用平均法和基于几何法,但平均法忽略了变换器的开关非线性特性,得到的系统模型是近似的,基于此模型的控制技术无法进一步提高控制效果和稳定性,不能满足对高性能变换器的要求。边界控制是一种基于几何的控制方法,适用于时变的非线性开关变换器电路。本文的主要内容就是把边界控制方法引入到Buck-Boost变换器上,实现控制。首先在深入研究了边界控制理论思想的基础上,针对Buck-Boost的特殊性,通过分析其开关面轨迹和稳定性,确定出理想二阶开关面;根据电感电容和输出电压波纹等内在的关系,推导开关切换的公式,给出控制规律,并针对初次到达目标工作点存在超调的现象做了改进,给出数学公式,利用仿真软件验证理论分析的正确性;通过和滑模控制方法比较,突出其高动态响应特性,以及无超调和对扰动的鲁棒特性等优点;该控制规则简单,不需借助高速数字信号处理器,这是它和复杂控制方法的主要区别;文中给出了电力电子专用仿真工具SIMetrix搭接的电路实验图;最后对边界控制理论做了进一步的研究,针对在电源及负载扰动下稳态值有偏差的现象,提出改进措施,分析了电路参数对电路性能的影响,总结了和其它控制方法的区别。基于边界控制理论设计了二阶开关面,实现了对Buck-Boost电路的控制。设计的控制器加快了运动轨迹向目标工作点移动的速度,实现了高动态响应,得到很好的稳态和暂态效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 DC/DC开关变换器控制方法概述
• 1.3 提高DC/DC变换器动态响应的技术与意义
• 1.4 课题研究意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 DC/DC开关变换器工作原理及模型
• 2.1 DC/DC变换器的模型
• 2.2 DC/DC变换器的相平面图
• 2.3 本章小结
• 第三章 边界控制理论的基本原理
• 3.1 状态空间
• 3.2 开关边界σ
• 3.3 开关面选择条件
• 3.4 大信号稳定性分析
• 3.5 Buck变换器的开关切换面的设计
• 3.5.1 开关管关断条件
• 3.5.2 开关管导通条件
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于边界控制理论的BUCK-BOOST变换器的研究
• 4.1 Buck-Boost变换器的开关面选择依据
• 4.2 Buck-Boost变换器的开关切换面设计
• 4.2.1 开关管S关断条件
• 4.2.2 开关管S导通条件
• 4.3 控制效果及改进措施
• 4.4 边界控制与滑模控制比较
• 4.5 边界控制的电路实现（SIMetrix）
• 4.6 本章小结
• 第五章 电路参数对BUCK-BOOST变换器边界控制性能的影响及改进措施
• 5.1 Buck-Boost变换器中参数对纹波的影响
• 5.2 参数变动对边界控制性能的影响
• 5.3 参数变动时边界控制的改进措施
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录 部分程序代码
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文