论文摘要
本论文对开关DC-DC变换器的峰值电压控制方式的数字算法及其改进算法进行了研究,有如下几个创新点:一、采用四种调制方式实现了数字峰值电压控制算法;二、对数字控制器中存在的延时问题进行了分析,提出了克服延时算法,进行了仿真研究以及实验验证;三、对单次采样在数字控制开关DC-DC变换器中应用的局限性进行了分析,并提出了将多采样校准技术用于开关DC-DC变换器用以提高瞬态性能;四、将幂函数形式的非线性补偿运用于数字峰值电压控制Buck变换器的应用中,并对瞬态性能进行了验证;五、对克服次谐波振荡的斜坡补偿算法的数字实现进行了研究,同时基于数字控制灵活性提出了占空比瞬态分量定位法,采用简单的方式消除次谐波振荡,并进行了验证。论文首先对数字控制技术在开关DC-DC变换器中的应用现状进行了简要的概述。在阐述模拟PWM（Pulse Width Modularion）调制方式的基础上,分别对单缘调制、双缘调制进行了研究。在不同的数字调制方式下,研究了数字峰值电压控制的算法,基于Buck变换器对不同调制方式的数字峰值电压控制进行了深入的研究。由于数字环路中存在的采样及运算环节会占用一定的运算资源,需要一些处理时间,因此引入了一定的延时。目前的研究结果表明,大多数的数字控制开关DC-DC变换器的应用中,采样所对应的占空比在下一开关周期输出,有的甚至在几个周期后才输出对应的占空比,这相当于在采样与输出之间有一个周期甚至更长的延时,这种由于数字运算引入的采样与对应占空比之间的延时是数字控制中必然存在的。该现象在开关DC-DC变换器的应用中已经得到了相应的认识,但是目前这方面的研究成果却很少。环路中的延时对于瞬态性能的影响是必然的,因此克服该延时也是数字控制技术发展急需解决的问题。论文中提出了克服延时算法,用于解决此问题。文中采用克服延时的算法对瞬态性能提高的仿真和实验,说明了算法的有效性。克服延时算法克服了一个周期的运算延时,但实际上扰动在某个周期内出现的位置是不确定的,而在开关DC-DC变换器的分析中都是假设其出现在周期初始位置。本文考虑到扰动出现的位置的不确定性,将多采样算法用于数字控制器中。基于多采样算法得到动态参考电压,对瞬态波形进行校准,用以提高数字控制器对扰动检测的实时性,使开关变换器的动态性能得到提高。非线性控制在开关变换器中已经得到了运用,结果表明非线性控制可以提高其瞬态性能。在这些传统的应用中,非线性算法受限于其实现的复杂性及复杂电路的可靠性问题。本文充分利用数字控制的灵活性,引入了非线性的补偿算法,依据误差分区设置非线性的比例放大系数,减小积分环节的延时影响,以提高变换器的瞬态性能。对克服次谐波振荡的问题进行了研究,首先是将传统的斜坡补偿方式进行数字化,得到了数字斜坡补偿算法;另外基于数字控制的灵活性,提出了占空比分量重定位法,采用简单的方式消除次谐波振荡。为了分析数字控制开关变换器的频率特性,采用双线性变换方法,得到了开关变换器主电路的数字模型。通过将数字算法进行小信号分析,得到整个系统的模型。通过模型比较,验证了瞬态分析的相关结果。本文以Buck变换器为例,对各种算法以及模型进行研究。