能馈型电子负载及其动态特性的研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mixiaoya2008
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电池以及电力电子设备出厂前需要进行大量的老化测试,若使用传统的静态负载或者能耗型电子负载,会消耗大量的电能。能量回馈型直流电子负载可以将待测设备(Device Under Test,DUT)的能量回馈并网,实现能量的回收,提高能源利用率。随着人们节能环保意识的增强,能馈型电子负载逐渐受到更多的关注。相比于能耗型电子负载,能馈型电子负载存在输入电流动态特性差的问题,需要研究一种电流控制策略提高其输入电流变化率。针对当前市场对能馈型电子负载输入电压范围宽、高效率以及高功率密度的要求,本文提出了一种三级式负载拓扑架构。基于该架构分析了负载恒流模式以及恒压模式的稳态控制策略,对负载进行了交流小信号建模并进行了环路参数设计。针对负载软起动过程中存在冲击电流的问题,提出了一种无冲击电流的负载软起动控制策略,减小了器件的电流应力,提高了可靠性。本文分析了传统线性控制在快速负载变化中存在DCM环路带宽低的问题。针对该问题,提出了输入电压前馈电感电流阶跃控制策略。在瞬态期间,该控制策略分为两个阶段:电感电流阶跃控制(非线性控制)和带有输入电压前馈的线性控制。电感电流阶跃控制在最短的时间内将电感电流以及占空比跳变至目标静态工作点;在此基础上,输入电压前馈控制器工作以减小输入电压波动对输入电流动态响应的影响,进一步提高电流变化率。对电感电流阶跃控制进行了时域建模,推导了其各个控制参量的表达式;根据交错并联boost变换器小信号模型,分别推导了其连续模式(Continuous Conduction Mode,CCM)以及断续模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)的输入电压前馈函数。由于数字控制延时的存在,输入电压前馈无法在全频段内完全消除输入电压波动对输入电流的影响,但依然可以大幅增强环路对输入电压波动的抑制能力,提高输入电流动态特性。本文对负载的DC/DC功率电路进行了参数设计、器件选型以及理论损耗分析。根据设计的参数,搭建了一台输入电压为150 V-750 V,额定功率为5 k W的实验样机,验证了负载稳态控制策略、软起动控制策略以及动态控制策略的可行性与有效性。采用所提负载输入电流动态控制策略,负载最大输入电流变化率可达668 A/ms,远大于线性控制下的负载电流变化率(32.76A/ms)。
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