脉冲序列控制Cuk变换器低频振荡抑制研究

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Cuk变换器具有输入电压范围宽、可输出升压或降压、驱动电路简单的优点,是一种性能优异的开关变换器,已在光伏逆变器、整流器、功率因数校正、无功补偿等领域得到了广泛应用。为了提高Cuk变换器的负载瞬态性能,本文提出脉冲序列(Pulse Train,PT)控制Cuk变换器。然而,PT控制Cuk变换器工作在电感电流连续导电模式(Continuous Conduction Mode,CCM)时存在低频振荡现象,严重影响了其稳态和瞬态性能。因此,研究PT控制CCM Cuk变换器的低频振荡抑制具有重要意义。首先,本论文以PT控制Cuk变换器为研究对象,详细分析了PT控制电感电流断续导电模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)Cuk变换器及PT控制CCM Cuk变换器的工作原理。根据能量守恒,建立了理想情况、仅考虑输出电容等效电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)、同时考虑输出电容ESR及中间电容ESR的PT控制Cuk变换器能量模型。综合CCM模式、DCM模式、输出电容ESR和中间电容ESR等因素,揭示了PT控制Cuk变换器发生低频振荡的本质。研究结果表明:PT控制CCM Cuk变换器产生的低频振荡不仅与输出电容ESR相关,而且还与中间电容ESR密切相关;Cuk变换器仅增加输出电容ESR并不能有效抑制低频振荡现象,需要同时增大输出电容ESR和中间电容ESR才能达到理想的抑制效果。其次,提出了PT控制DCM-CCM Cuk变换器,并分析了其工作原理和工作特性。考虑输出电容ESR的影响,建立了PT控制DCM-CCM Cuk变换器的非理想能量模型。在此基础上,探究了PT控制DCM-CCM Cuk变换器有效抑制低频振荡现象的内在机理,给出了该方案在其他高阶变换器中的拓展拓扑结构。推导了DCM-CCM工作域的临界表达式,为主电路参数设计提供理论依据。研究结果表明:PT控制DCM-CCM Cuk变换器能有效抑制低频振荡现象;与PT控制CCM Cuk变换器相比,PT控制DCM-CCM Cuk变换器具有更好的负载瞬态性能,更高的稳态精度及工作效率。实验验证了理论分析的正确性。最后,为了抑制PT控制CCM Cuk变换器低频振荡,提出了PT控制电容电压断续模式(Discontinuous Capacitor Voltage Mode,DCVM)Cuk变换器。分析了PT控制DCVM Cuk变换器的工作原理、能量递进传输特性、抑制低频振荡的内在机理以及输出电压纹波特性。研究结果表明:相比PT控制CCM Cuk变换器,PT控制DCVM Cuk变换器能有效抑制低频振荡,且具有较好的负载瞬态性能;输出电压纹波较小,且与脉冲循环周期数呈负相关,与单个开关周期内输出电容电压变化量呈正比。实验验证了理论分析的正确性。
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