Buck变换器电容电流滞环控制方法研究

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DC/DC变换器作为直流功率变换单元广泛应用于电能变换系统的末端负载供电接口中,其性能直接决定了后级直流负载的供电指标。特别是在微电子和通信电源领域中,微处理器和通信设备的负载随机性大范围波动,其瞬态性能要求极高,如此供电上对前级DC/DC变换器带宽与瞬态响应能力提出了新的设计要求。基于此,本论文从控制技术层面探索基于电容电流的纹波控制方法,为DC/DC变换器系统的快速负载瞬态特性设计提供新的技术解决方案。论文以电容电流滞环控制为基本架构,着重从控制参数优化、寄生参数对控制性能影响以及扰动型恒频滞环控制实现三方面展开了较为系统性的研究,具体完成的主要研究工作及成果归纳如下:首先,针对关键的电容电流参量高精度检测要求,提出了基于传递函数匹配的非侵入式电容电流检测方法及电路设计。通过设计检测电路与被测电容支路两者传递函数相匹配,提出了电容电流非侵入式检测电路设计;针对不同开关频率下被测电容阻抗特性表现不同的情况,给出了纯电容C、阻容RC、阻感容RLC三种检测电路阻抗模型的匹配设计结果;基于理论分析,完成了实际检测电路参数设计和频域分析,仿真实验验证了RLC匹配方式的电容电流检测的精确性和快速性。所提的传递函数匹配检测思想对其它电流检测同样具有适用性,研究工作为电流非侵入式检测提供了一种可行的设计方法。其次,基于电容电流滞环控制Buck变换器的瞬态过程分析,实现了反馈控制参数优化选取,明确了电容寄生参数对系统动态性能的负面影响,相应地提出了输出电压分离控制的技术解决方案。结合负载瞬态调节时间最优工作条件,导出了电容电流滞环控制参数与负载瞬态调节时间的量化关系,由此给出了控制参数的优化选取;基于输出电压纹波成分的分析,给出了电容寄生参数对动态性能的负面影响,明确了电容电流滞环控制的失效原因;进一步提出了参数分离的电容电压反馈控制,有效地消除了电容寄生参数对动态性能的负面影响;仿真和实验证实了理论分析正确和所提控制方法有效。本部分研究工作完善了电容电流滞环控制策略设计,所提输出电压分离控制能实现系统动稳态性能分离调节,为反馈控制设计提供新思路。最后,研究了扰动型的恒频滞环控制策略,解决了所提电容电流滞环控制的开关频率不固定问题。通过对滞环带施加频率为开关频率的斜坡扰动信号,理论上给出了斜坡扰动信号的设计条件,进一步给出其电路设计,仿真和实验证实了所提扰动型恒频控制的有效性。滞环控制的扰动型恒频方法具有通用性,本部分研究工作为滞环恒频控制设计提供新技术手段。
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