【摘 要】
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软开关变换器具有功率密度高、集成度高、小型轻量化等特点,因而在航天航空、无线通信、计算机、电动汽车等领域得以广泛应用。尤其是准谐振类软开关变换器,因具有闭环控制设计相对简单、可靠性较高等优势,而成为电力电子领域的研究热点之一。但是,由于准谐振开关变换器工作频率较高、运行模态较多,传统的基于状态空间平均的建模方法不再实用。基于此,本文针对准谐振开关变换器的谐振网络和滤波环节具有不同时间常数的特点,提
【基金项目】
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国家重点研发计划资助项目(批准号:2018YFB0905804)
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软开关变换器具有功率密度高、集成度高、小型轻量化等特点,因而在航天航空、无线通信、计算机、电动汽车等领域得以广泛应用。尤其是准谐振类软开关变换器,因具有闭环控制设计相对简单、可靠性较高等优势,而成为电力电子领域的研究热点之一。但是,由于准谐振开关变换器工作频率较高、运行模态较多,传统的基于状态空间平均的建模方法不再实用。基于此,本文针对准谐振开关变换器的谐振网络和滤波环节具有不同时间常数的特点,提出了一种考虑不同时间常数的非线性解耦建模方法,并基于所建立的数学模型,对准谐振变换器瞬态特性和稳定性进行了分析和探讨。这些工作对分析准谐振开关变换器的非线性运行机理、识别其稳定运行的参数空间,进而优化系统参数设计,提高系统性能具有重要意义。本文完成的工作主要如下:(1)以脉冲频率调制的零电流准谐振(Pulse-Frequency-Modulation Zero-CurrentSwitching Quasi-Resonant,PFM-ZCS-QR)Buck变换器为例,针对其谐振网络和滤波环节具有不同时间常数的特点,提出了一种将谐振状态变量和滤波状态变量进行解耦分析的非线性建模方法;进而用等效小参量法统一求解,获得了该准谐振变换器系统全部状态变量周期解的近似解析表达式。基于所建立的解耦模型的分析结果与PSIM电路仿真结果非常接近,说明该方法能有效性准确地分析PFM准谐振变换器的特性。(2)考虑到采用脉冲宽度调制(Pulse-Width-Modulation,PWM)的准谐振变换器在实际中具有更广泛的应用,将上述解耦方法进一步推广到PWM-ZCS Buck变换器的建模分析。利用改进的等效小参量法统一求解,分别获得了该准谐振变换器在开环和闭环运行状态下全部状态变量周期解的近似解析表达式;并对影响变换器系统瞬态特性的关键因素进行了探讨。最后,通过与仿真分析和实验测试结果进行对比,表明所提出的解耦建模方法同样能准确有效地分析PWM准谐振变换器的瞬态和稳态特性。(3)以PWM-ZCS Buck变换器为例,对准谐振变换器的稳定性进行分析。根据所建立的PWM控制的准谐振变换器闭环系统数学模型,利用基于Filippov和Floquet理论的单值矩阵分析法探讨了关键参数对变换器系统稳定性的影响,并通过仿真分析验证了稳定性分析结果的有效性。上述PFM-ZCS和PWM-ZCS准谐振Buck变换器的建模分析实例表明,本文所提出考虑不同时间常数的解耦建模方法能有效分析准谐振变换器状态变量的瞬态和稳态过程;并且所得到的谐振、滤波状态变量的稳态和瞬态近似周期解均具有较高的精度;在所建立的闭环PWM控制准谐振变换器数学模型基础上进行的稳定性分析,能有效、直观反映电路参数对变换器性能的影响。
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