控制器設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析

控制器是控制系統(tǒng)動態(tài)反應(yīng)、穩(wěn)定性和性能的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵要素。 控制器的主要功能是調(diào)節(jié)輸出電壓或電流, 使轉(zhuǎn)換器能夠用所需數(shù)量的電力提供負(fù)荷。 本節(jié)討論控制器設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析,這是DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面。

Controller Design

DC-DC轉(zhuǎn)換器除了使用其他類型的控制器外,還可以使用模擬和數(shù)字控制器。由于這些控制器的簡單性和方便性,電壓模式控制(VMC)和電流模式控制(CMC)等模擬控制器已被廣泛使用。最近,數(shù)字控制器越來越受歡迎,提供了程序可操作性、靈活性和性能改進(jìn)的優(yōu)勢?？刂破黝愋瓦x擇取決于應(yīng)用程序的具體要求和預(yù)期的性能特征。一般而言,控制器設(shè)計(jì)過程涉及以下步驟:

選擇控制戰(zhàn)略(如VMC或CMC)

控制環(huán)的設(shè)計(jì),包括補(bǔ)償和反饋網(wǎng)絡(luò)

計(jì)算控制器參數(shù),以達(dá)到理想的動態(tài)反應(yīng)和穩(wěn)定幅度

Stability Analysis

控制器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是穩(wěn)定性分析,它保證轉(zhuǎn)換器在面對不斷變化的操作條件和載荷擾動時(shí)保持穩(wěn)定。 設(shè)計(jì)完善的控制器應(yīng)提供足夠階段并獲得利潤,以維持穩(wěn)定,避免波動或不有利的瞬時(shí)反應(yīng)。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性可以采用各種方法加以研究,包括時(shí)空技術(shù)、頻域技術(shù)和國家空間分析。

Bode 地塊: Bode 地塊提供了開環(huán)收益和轉(zhuǎn)換器控制循環(huán)階段的圖形表示。通過分析 Bode 地塊,工程師可以評估穩(wěn)定性差,并確定適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償設(shè)計(jì),以確保穩(wěn)定性。

原地分析:這一技術(shù)涉及繪制轉(zhuǎn)換器控制環(huán)的特性方程的根部,作為循環(huán)增益等不同參數(shù)的函數(shù)。根地分析可以揭示穩(wěn)定性特性,并幫助設(shè)計(jì)控制器以保持整個(gè)操作范圍的穩(wěn)定性。

國家空間分析:國家空間分析是一種數(shù)學(xué)技術(shù),它代表了轉(zhuǎn)換器使用狀態(tài)變量和狀態(tài)方程式的動態(tài)。這種方法可以對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)反應(yīng)進(jìn)行綜合分析,從而能夠設(shè)計(jì)更先進(jìn)的控制器和補(bǔ)償器。

Soft-switching Techniques

軟開關(guān)技術(shù)是先進(jìn)的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面,因?yàn)檫@些技術(shù)有助于提高效率、減少電磁干擾和盡量減少轉(zhuǎn)換損失。 為了盡量減少能源損失和轉(zhuǎn)換器部件的壓力,軟開關(guān)方法通常試圖在電壓或當(dāng)前壓力最小的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換開關(guān)。 本節(jié)探討軟開關(guān)方法在DC-DC轉(zhuǎn)換器中的基本想法和實(shí)際應(yīng)用。

Types of Soft-switching Techniques

軟開關(guān)技術(shù)可大致分為兩類:零壓開關(guān)(ZVS)和零流開關(guān)(ZCS)。

零排切換(ZVS):在 ZVS 中,當(dāng)開關(guān)的電壓為零或接近零時(shí),開關(guān)會從關(guān)閉轉(zhuǎn)向狀態(tài)。這種技術(shù)可以減少開關(guān)的損失和壓力,因?yàn)殚_關(guān)開關(guān)時(shí)電壓很少或沒有。

零現(xiàn)交換(ZCS):在 ZCS 中,當(dāng)電流通過開關(guān)為零或接近零時(shí),開關(guān)會從一個(gè)開關(guān)向關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變。因此,由于開關(guān)關(guān)閉時(shí)沒有電流,開關(guān)的開關(guān)損失和壓力最小化。

Implementing Soft-switching Techniques

軟開關(guān)技術(shù)可以不同方式實(shí)施,這取決于轉(zhuǎn)換器地形學(xué)和預(yù)期性能特征。

共振轉(zhuǎn)換器:共振轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造以指定的共振頻率運(yùn)行,允許軟開關(guān)。通過使用感應(yīng)器和電容器等共振元素,轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)ZVS或ZCS的操作,減少開關(guān)損失并提高效率。

輔助電路:在主轉(zhuǎn)換器電路中可添加輔助電路,以便利軟開關(guān)操作。為在轉(zhuǎn)換過程中運(yùn)輸能量提供一個(gè)共振路徑,這些電路通常包括額外的開關(guān)、二極管和被動部分。

分階段轉(zhuǎn)移控制:為了完成軟開關(guān)操作,全橋轉(zhuǎn)換器使用級變控制技術(shù)。ZVS操作可以通過改變主側(cè)開關(guān)的門驅(qū)動信號的相對階段,降低開關(guān)損失并提高效率。

Advantages and Challenges

軟開關(guān)技術(shù)的主要優(yōu)勢包括降低轉(zhuǎn)接損失、提高效率和將電離層電離層最小化。 然而,實(shí)施軟開關(guān)技術(shù)往往帶來挑戰(zhàn),如電路復(fù)雜性增加、被動部件增加以及控制計(jì)劃更加復(fù)雜等。

Isolated DC-DC Converters

在電力電子系統(tǒng)中,孤立的DC-DC轉(zhuǎn)換器是必不可少的,特別是當(dāng)轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出兩邊需要隔熱時(shí)。 這種隔熱提供了安全性、噪音免疫性以及提升或逐步降低電壓的能力,而輸入和輸出之間沒有直接的電力聯(lián)系。本節(jié)討論了孤立的DC-DC轉(zhuǎn)換器的原則、地形和設(shè)計(jì)考慮。

Principles of Isolation

在DC-DC轉(zhuǎn)換器中,隔離往往是通過在轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中列入一個(gè)變壓器來實(shí)現(xiàn)的。變壓器通過使用磁性連接而不是直接電路連接來傳輸輸入和輸出電路之間的能量,從而產(chǎn)生變壓器隔離。這種隔離防止了高頻噪音和輸入和輸出電路之間的常見電壓流動,同時(shí)防止了在不同電壓水平運(yùn)行的電路之間的直接電流路徑,從而保證了安全。

Common Isolated Converter Topologies

孤立的DC-DC轉(zhuǎn)換器有幾種常用的地形圖,每個(gè)轉(zhuǎn)換器都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和應(yīng)用:

Frebback 轉(zhuǎn)換器: 飛回轉(zhuǎn)換器由于其簡單和低元件計(jì)數(shù),在中低功率應(yīng)用中很受歡迎。 它在開關(guān)時(shí)將能量儲存在變壓器磁場,并在開關(guān)時(shí)將能量轉(zhuǎn)移到輸出電路。

轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)換器: 遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)換器與飛回轉(zhuǎn)換器類似,但在輸出方使用單獨(dú)的感應(yīng)器儲存能源,從而提高效率和減少輸出電壓波。該表層適合用于中等電源應(yīng)用。

Push- Pull 轉(zhuǎn)換器:推拉轉(zhuǎn)換器使用兩個(gè)交換器,通過變壓器將能量轉(zhuǎn)換為輸出。這種表層學(xué)提供比飛回和前方轉(zhuǎn)換器更高的功率和較低的輸出電壓波。

全橋和半橋轉(zhuǎn)換器:這些地形用于高功率應(yīng)用,并因其對稱操作而提高了效率。它們使用四個(gè)開關(guān)(全橋)或兩個(gè)開關(guān)或兩個(gè)開關(guān)和兩個(gè)二極管(半橋)在一級變壓器上形成一個(gè)平方波,從而將有效的能源轉(zhuǎn)移到產(chǎn)出方。

Design Considerations

為了在開發(fā)孤立的DC-DC轉(zhuǎn)換器的同時(shí)取得最佳業(yè)績,必須考慮到若干標(biāo)準(zhǔn),其中包括:

變壓器設(shè)計(jì):孤立轉(zhuǎn)換器的隔離水平、效率和輸電能力都由變壓器的設(shè)計(jì)決定,根據(jù)應(yīng)用的需要,必須仔細(xì)選擇核心材料、旋轉(zhuǎn)比率和刮線方法等參數(shù)。

控制和反饋:為了控制孤立轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,需要一個(gè)反饋機(jī)制。這種反饋可以通過在傳送信息的同時(shí)提供隔離的多功能轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn),也可以通過專用的隔熱放大器或數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)換頻率和效率:變壓器和其他被動部件的大小,以及轉(zhuǎn)換器的總體效率,都受到所用交換頻率的影響。在較高頻率上可以使用較小的變壓器,但變壓器損失和電離層電離層可能會上升。

保護(hù)特征:為確保在異常情況下安全運(yùn)行,孤立的轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有保護(hù)功能,包括高壓、高流和高溫保護(hù)。

Multi-Output Converters

多輸出轉(zhuǎn)換器是電力電子系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵要素,這些電子系統(tǒng)需要多個(gè)電壓水平來驅(qū)動不同的負(fù)荷或部件,這些轉(zhuǎn)換器使得有可能從單一輸入源產(chǎn)生許多輸出電壓,提高系統(tǒng)效率和降低復(fù)雜性,多輸出轉(zhuǎn)換器的基本原理、典型的地形和設(shè)計(jì)考慮將在本節(jié)中論述。

Advantages of Multi-Output Converters

與每個(gè)電壓水平使用單個(gè)單輸出轉(zhuǎn)換器相比,多輸出轉(zhuǎn)換器的使用帶來若干好處:

減少的構(gòu)成部分計(jì)數(shù):多產(chǎn)出轉(zhuǎn)換器所需部件較少,導(dǎo)致設(shè)計(jì)更小、更緊湊、成本效益更高。

提高效率:多產(chǎn)出轉(zhuǎn)換器通過共享共同部件和從單一投入源運(yùn)作,可以比多個(gè)孤立的單一產(chǎn)出轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)更好的整體效率。

簡化控制和監(jiān)測:單一控制器可以管理多個(gè)輸出電壓,減少控制和監(jiān)測電路的復(fù)雜性。

強(qiáng)化負(fù)載管制:多輸出轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以設(shè)計(jì)為嚴(yán)格監(jiān)管,確保向不同負(fù)荷提供穩(wěn)定的電力。

Common Topologies for Multi-Output Converters

可用于實(shí)施多產(chǎn)出轉(zhuǎn)換器的各種地形可使用,其中最常用的有:

帶多個(gè)輸出的反回回回翻滾轉(zhuǎn)換器:飛行回背轉(zhuǎn)換器可以很容易地調(diào)整,通過在變壓器和過濾器中增加二次繞行,提供多個(gè)輸出電壓。要產(chǎn)生理想的輸出電壓,每個(gè)二次繞行都與不同的輸出矩形相連接。

帶有多個(gè)輸出的轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)換器:就像一個(gè)飛背轉(zhuǎn)換器一樣,一個(gè)前方轉(zhuǎn)換器可以通過在變壓器中增加額外的二次通風(fēng)來提供眾多的輸出電壓。每個(gè)輸出都使用一個(gè)輸出導(dǎo)管來存儲能量和較低的電壓波。

Buck-Derived 多輸出輸出轉(zhuǎn)換器:該表層使用單一的轉(zhuǎn)壓器作為初級階段,增加的轉(zhuǎn)壓器與初級階段的輸出平行連接,以產(chǎn)生必要的輸出電壓。

uk-derived 多輸出輸出轉(zhuǎn)換器:通過將更多的uk轉(zhuǎn)換器序列階段與初級階段連接起來,可以設(shè)計(jì)一個(gè)uk轉(zhuǎn)換器,提供幾種產(chǎn)出,每個(gè)階段都產(chǎn)生獨(dú)立的輸出電壓。

Design Considerations for Multi-Output Converters

工程師在建立多產(chǎn)出轉(zhuǎn)換器時(shí)必須考慮到若干標(biāo)準(zhǔn),以確保最大性能和可靠操作:

產(chǎn)出壓壓條例:在多輸出轉(zhuǎn)換器中,交叉管制是一個(gè)典型的問題,因?yàn)楫?dāng)一個(gè)輸出電壓發(fā)生改變時(shí),它可能會影響其他輸出電壓。為了減少交叉管制的后果,轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)必須配備適當(dāng)?shù)姆答伜涂刂茩C(jī)制。

加載平衡:需要建立轉(zhuǎn)換器,以應(yīng)對各種產(chǎn)出的不同負(fù)荷情況。每種產(chǎn)出的負(fù)荷可以通過使用平載技術(shù)平均分配。

變壓器設(shè)計(jì):多輸出轉(zhuǎn)換器的性能受到變壓器設(shè)計(jì)的巨大影響,包括核心材料、旋轉(zhuǎn)比率和刮線方法。

控制控制戰(zhàn)略:為確保嚴(yán)格監(jiān)管和穩(wěn)定,必須對每項(xiàng)產(chǎn)出實(shí)施有效的控制技術(shù),視應(yīng)用的需要而定,這可能包括使用單一控制器來管理所有產(chǎn)出或?yàn)槊宽?xiàng)產(chǎn)出分別設(shè)置控制器。

EMI and Noise Reduction Techniques

電磁干擾(EMI)和噪音是電力電子系統(tǒng),特別是DC-DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵問題,這些現(xiàn)象可能使該系統(tǒng)的部件受損、運(yùn)作不穩(wěn)定或功能不那么有效,EMI的起源和DC-DC轉(zhuǎn)換器的噪音以及減少和減輕這些噪音的若干方法將在本部分加以論述。

Sources of EMI and Noise in DC-DC Converters

DC-DC轉(zhuǎn)換器中有許多電離層和噪音的來源,包括:

當(dāng)動力半導(dǎo)體裝置快速開關(guān)時(shí),即產(chǎn)生切換瞬態(tài),從而產(chǎn)生連續(xù)和輻射電磁干擾(EMI)。

寄生蟲成分:寄生蟲抗藥性、誘導(dǎo)力和能能可促成轉(zhuǎn)換器中的噪音產(chǎn)生,并可在導(dǎo)管、電容器甚至多氯聯(lián)苯痕跡中找到。

負(fù)載變化:負(fù)載的突然變化可能造成瞬時(shí)電壓和當(dāng)前波動,導(dǎo)致電離析和噪音生成。

地面環(huán)圈:無意的地面環(huán)繞可能造成流流,造成不必要的噪音和干擾。

Techniques for EMI and Noise Reduction

可采用若干技術(shù)來減少環(huán)境-MI和噪音。

輸入和輸出過濾:被動過濾器,包括帶感應(yīng)器和電容器的低傳式過濾器,可在轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出時(shí)安裝,以降低高頻噪音和電離層電離層。

屏蔽:使用導(dǎo)電材料(如金屬封口)保護(hù)轉(zhuǎn)換器,可有助于防止放射電離電離電離層影響其他部件和系統(tǒng)。

適當(dāng)場地:實(shí)施適當(dāng)?shù)牡鼗?jì)劃,包括恒星地基計(jì)劃,可以最大限度地減少地環(huán),減少噪音聯(lián)動。

脈沖電路:由阻力器和電容器組成的脈沖電路可用于抑制與電動裝置轉(zhuǎn)換有關(guān)的電壓和電流瞬態(tài)。

傳播頻譜技術(shù):改變轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率可以將電離電離層能量擴(kuò)散到更廣泛的頻率范圍,從而降低電離層電離層總峰值水平。

軟開關(guān)技術(shù):采用軟開關(guān)技術(shù),如零壓開關(guān)(ZVS)或零流開關(guān)(ZCS),可以減少高頻開關(guān)中繼器和EMI生成。

優(yōu)化:適當(dāng)設(shè)計(jì)多氯聯(lián)苯的布局,包括部件的布局、跟蹤路由和最大限度地減少環(huán)形區(qū)域,可以大大減少電離層和噪音聯(lián)動。

EMI Standards and Compliance

為了保證電子設(shè)備的安全和可靠操作,許多監(jiān)管機(jī)構(gòu)提出了EMI標(biāo)準(zhǔn)和建議,這些規(guī)格提供了允許EMI限制和測試方法,以確保遵守,CISPR、FCC和IEC標(biāo)準(zhǔn)是廣泛使用的EMI標(biāo)準(zhǔn)的幾個(gè)例子,DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)必須滿足有關(guān)應(yīng)用所需的EMI要求。

審核編輯：彭菁