發(fā)布時間：2020-11-17 06:28

　　 快速負載動態(tài)響應(yīng)是衡量DC/DC變換器供電質(zhì)量的重要性能指標,其與所采用的控制方案密切相關(guān)。傳統(tǒng)線性控制方案如PI控制的負載動態(tài)性能無法滿足現(xiàn)有直流用電設(shè)備的要求,目前多采用電路調(diào)整方案或者時間最優(yōu)控制方案獲得快速動態(tài)響應(yīng)。盡管時間最優(yōu)控制策略能在控制層面獲得最優(yōu)的負載動態(tài)性能,但其控制效果受制于濾波元件參數(shù)。因此,本文以Buck變換器為研究對象,采用動態(tài)調(diào)節(jié)主電路濾波元件參數(shù)的思路,結(jié)合電荷充放平衡原理,在時間最優(yōu)控制基礎(chǔ)上提出并聯(lián)型輔助電感切換的負載時間最優(yōu)控制策略,并將所提控制策略應(yīng)用于以Buck變換器為結(jié)構(gòu)的直流電源模塊上,驗證所提控制策略的可行性。本文主要的研究內(nèi)容有:首先,對主電路濾波參數(shù)動態(tài)調(diào)整方案展開研究,提出輔助并聯(lián)電感電路和基于輔助并聯(lián)電感的時間最優(yōu)控制策略。根據(jù)時間最優(yōu)控制原理,推導Buck變換器動態(tài)性能指標與主電路濾波元件參數(shù)之間的數(shù)學關(guān)系。通過數(shù)學和仿真分析,得到濾波參數(shù)調(diào)整能改善負載動態(tài)性能的結(jié)論,從而提出基于并聯(lián)電感的變電感參數(shù)方案,并設(shè)計相應(yīng)的輔助并聯(lián)電感電路。同時分析濾波電感參數(shù)調(diào)整使負載動態(tài)性能提升的機理,探索并聯(lián)變電感電路作用的約束條件,根據(jù)電容電荷充放電平衡原理得到輔助電感的取值范圍和基于輔助并聯(lián)電感的時間最優(yōu)控制算法。其次,對負載動態(tài)時主電路濾波電感參數(shù)多次調(diào)整方案展開研究,提出基于輔助并聯(lián)電感的序列切換時間最優(yōu)控制策略。根據(jù)基于輔助并聯(lián)電感的時間最優(yōu)控制策略數(shù)學分析可知動態(tài)調(diào)整時間已經(jīng)無法再提升。理論分析得出負載動態(tài)時輔助并聯(lián)電感作用次數(shù)與負載動態(tài)調(diào)整電壓的數(shù)學關(guān)系,得到負載動態(tài)時輔助并聯(lián)電感多次作用能進一步改善動態(tài)性能的結(jié)論,從而提出序列切換時間最優(yōu)控制策略。為了保證動態(tài)期間充放電平衡,在輔助并聯(lián)電感多次作用后系統(tǒng)能恢復穩(wěn)定,依照電荷平衡原理建立數(shù)學模型推導出輔助電感切換次數(shù)與輔助電感值之間的數(shù)學關(guān)系,得到輔助電感參數(shù)的選取原則以及序列切換時間最優(yōu)控制的迭代控制算法。最后,對所提控制策略進行仿真和實驗驗證。在PSIM軟件平臺上搭建Buck變換器仿真電路,綜合所提控制的基本原理設(shè)計并搭建了相應(yīng)的控制電路進行了仿真驗證。同時參考仿真電路設(shè)計了包含Buck主電路和控制電路的直流電源模塊,在直流電源模塊上進行了負載電流跳變實驗。通過仿真和實驗驗證所提的兩種控制方案的有效性和可行性。
【學位單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM46
【部分圖文】：

重慶大學碩士學位論文 3 基于輔助并聯(lián)電感的時間最優(yōu)控制了 31%；當負載下跳時(6A→1.5A)，TOC-API 方案將調(diào)整時間提升了大約 47.4%；輔助電感 La=100μH 時將調(diào)整電壓提升了 37.1%，輔助電感 La=28μH 時將調(diào)整電壓提升了 57.1%。3.4.2 實驗驗證為進一步驗證基于輔助并聯(lián)電感的時間最優(yōu)控制策略改善Buck變換器動態(tài)性能的有效性，依照表 3.1 參數(shù)設(shè)計了以 Buck 變換器為結(jié)構(gòu)的主流電源模塊，同時根據(jù)前一小節(jié)的控制器設(shè)計原理搭建了控制電路，將所提控制應(yīng)用到直流電源模塊上驗證所提控制的合理性。

ΔVo-=2.4V。當輔助電感 La=28μH 時，此時對應(yīng)最小調(diào)整電壓這種情況，輔助電感在動態(tài)期間就切出了主電路。負載電感由 1.5A 跳變到 6A 時，實驗動態(tài)波形如圖3.18(c)所示。整個動態(tài)調(diào)整時間 ts=22μs，調(diào)整電壓分為電壓跌落和電壓過沖，電壓跌落為 ΔVo-=2V，電壓過沖 ΔVo+=1.3V，輔助電感切出主電路的時刻是動態(tài)開始后的 14μs。負載電感由 6A 跳變到 1.5A 時，實驗動態(tài)波形如圖 3.18(d)所示。整個動態(tài)調(diào)整時間 ts=22μs，電壓跌落為 ΔVo-=1V，電壓過沖 ΔVo+=1.8V。輔助電感切出主電路的時刻為距離動態(tài)開始后 14μs。實驗中控制回路的延時 tdelay=2μs，延時會導致值為 0.9V 的額外動態(tài)跌落 ΔVdelay。負載電流發(fā)生跳變時(1.5A→6A)，時間最優(yōu)控制的動態(tài)波形如圖 3.19 所示。當負載電流上跳時，實驗結(jié)果顯示調(diào)整時間為 40μs，調(diào)整電壓為 3.1V。當負載電流下跳時，實驗結(jié)果顯示調(diào)整時間為 40μs，調(diào)整電壓為 3.8V。實驗中，因為實際控制回路中有微小的延遲以及采樣精度等問題的存在，調(diào)整時間和調(diào)整電壓都要稍微大于仿真結(jié)果。在整個動態(tài)期間，無論是輸出電壓還是電感電流的變化軌跡都與理論分析和仿真結(jié)果較為相符。

表 4.3 不同控制下的仿真動態(tài)性能指標Table 4.3 Indexes of transient performance with different control性能指標控制方案上跳 下跳調(diào)整時間 ts調(diào)整電壓 ΔVo調(diào)整時間 ts調(diào)整電壓 ΔVoTOC 38μs 3.0V 42μs 3.5VSSTOC-API（不考慮 tdelay）22μs 0.9V 22μs 0.9VSSTOC-API（考慮 tdelay）22μs 1.2V 24μs 1.4V4.4.2 實驗結(jié)果為了驗證所提控制策路，設(shè)計了以 Buck 變換器為主電路的直流電源模塊。電源模塊的參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致。圖 4.8 為所提 SSTOC-API 策略的實驗動態(tài)波形。實際控制電路中 tdelay無法避免，實際的控制回路 tdelay經(jīng)過測量大約為 2μs。
【參考文獻】

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本文編號：2887185