交错并联三态Boost变换器研究

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交错并联三态Boost变换器(Interleaved Tri-state Boost Converter,ITBC)被广泛应用于低压大电流输入、高电压输出,且要求低输入电流纹波和快速动态响应的新能源发电系统等场合,其综合了交错并联形式和伪连续导电模式(Pseudo Continuous Conduction Mode,PCCM)的优点,不仅减小了输入电流纹波,有利于延长光伏电池、燃料电池等的寿命,还消除了传统交错并联Boost变换器的右半平面(Right Half Plane,RHP)零点。因此,本论文以交错并联三态Boost变换器为研究对象,研究具有低输入电流纹波和快速动态响应的交错并联三态Boost变换器的控制策略及实现方式。首先,以电感电流充电阶段占空比大于0.5的工作模式为例,分析了ITBC的工作原理,其在一个开关周期里有六种工作模态;采用时间平均等效电路法建立了ITBC的小信号模型,推导了采用定关断时间控制、恒定参考电流(Constant Reference Current,CRC)控制、动态参考电流(Dynamic Reference Current,DRC)控制和定续流时间控制时ITBC的控制-输出传递函数。研究结果表明:当续流开关管采用定关断时间控制、CRC控制和DRC控制时ITBC均不存在RHP零点,而采用定续流时间控制时ITBC存在RHP零点,说明续流控制策略会影响ITBC的控制-输出传递函数的RHP零点。频域仿真验证了理论分析的正确性。其次,详细分析了电感电流上升斜率、下降斜率,电感电流充电阶段占空比、放电阶段占空比、续流阶段占空比和续流值等因素对ITBC的输入电流纹波大小的影响,进而划分了ITBC的工作模式,推导了其对应的输入电流纹波表达式,研究了输入电流纹波与电感电流放电阶段占空比之间的关系。研究结果表明:通过增大电感电流放电阶段占空比,可以改变ITBC的工作模式和减小输入电流纹波,采用电流型定关断时间控制策略,ITBC在满足电感电流均流效果的同时,保证其宽负载范围内工作于最小输入电流纹波的工作模式。仿真和实验验证了理论分析的正确性。最后,在分析电流型DRC控制ITBC实现最小输入电流纹波的工作模式原理的基础上,详细设计了动态参考电流;分别建立了电流型定关断时间和电流型DRC控制ITBC的功率级和完整小信号模型,并推导了两种控制策略的控制-输出传递函数和输出阻抗,对比了两者的带宽和低频输出阻抗。研究结果表明:采用电流型定关断时间或电流型DRC控制策略,ITBC均能满足电感电流均流效果,此外还可保证其宽负载范围内工作于最小输入电流纹波的工作模式;相比于电流型定关断时间控制,电流型DRC控制ITBC的负载瞬态响应速度更快;两种控制策略的效率均较高,且电感电流放电阶段占空比越大,效率越高。仿真和实验验证了理论分析的正确性。
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