DC-DC变换器切换系统模型的N周期控制及稳定性

DC-DC变换器驱动优化设计与稳定性研究DC-DC变换器是现代电子系统中常用的一种电力转换装置，广泛应用于电子设备中。

为了满足更高效率、更稳定性和更小体积的需求，DC-DC变换器的驱动优化设计和稳定性研究变得非常重要。

首先，DC-DC变换器的驱动优化设计对其性能有着重要影响。

在设计过程中，需要考虑到输入输出电压的范围、负载要求、效率等多个因素。

常见的驱动优化设计方法包括电流模式控制、电压模式控制以及增加反馈控制等。

电流模式控制在负载变化较大时能够保持较好的稳定性，而电压模式控制则在负载变化较小时能够提高效率。

综合考虑各种因素，选择合适的驱动优化设计方法可以使DC-DC变换器在不同工况下都能够保持良好的性能。

其次，DC-DC变换器的稳定性研究也是非常重要的。

稳定性是指在输入和输出电压波动范围内，DC-DC变换器能够保持输出电压稳定的能力。

稳定性的研究主要集中在系统的相位边界和增益边界两个方面。

相位边界是指当系统的相位变化到一定范围时，系统会出现振荡或不稳定的现象。

增益边界是指当系统的增益变化到一定范围时，系统会出现超调或不稳定的现象。

在稳定性研究中，需要进行相位和增益裕度的分析，确定系统的稳定边界，并进行相应的控制措施，以保证DC-DC变换器的稳定性。

为了优化设计和提高稳定性，还需要考虑DC-DC变换器中的一些关键元件，如电感、电容和开关管等。

选择合适的电感和电容可以提高系统的效率和稳定性，而选择合适的开关管则可以减小功耗和提高开关速度。

此外，还可以通过设计合适的反馈回路，实现对输出电压的精确控制，进一步提高系统的稳定性。

综上所述，DC-DC变换器的驱动优化设计和稳定性研究对于现代电子系统的性能和稳定性至关重要。

通过选择合适的驱动优化设计方法，优化关键元件的选择以及进行稳定性分析，可以使DC-DC变换器在不同工况下都能够保持良好的性能和稳定性。

随着电子技术的不断发展，更多的研究将会涌现，为DC-DC变换器的驱动优化设计与稳定性提供更多的解决方案总之，DC-DC变换器的驱动优化设计和稳定性研究是确保电子系统性能和稳定性的关键。

第2期2012年3月电源学报Journal of Power SupplyNo.2Mar.2012基于群特性分析的DC-DC 变换器级联系统稳定性判据张波(华南理工大学电力学院，广东广州510640)摘要：电力电子变换器级联的稳定性分析是一个尚未解决的问题，线性电路的阻抗匹配规律不适合开关电路级联系统的分析和研究。

为此，论文尝试将研究对称性的基本理论———群论引入到DC-DC 变换器级联系统的分析中，试图根据DC-DC 变换器级联系统的物理结构，定义基本DC-DC 变换器级联系统的群集合，探讨它们的群特性，揭示群特性与级联特性之间的联系及物理意义，由此初步提出一个基于群特性分析的DC-DC 变换器级联系统的稳定性判据，为解决DC-DC 变换器级联的问题提供一个新的数学工具。

关键词：DC-DC 变换器；级联；群特性中图分类号：TM46文献标志码：A文章编号：2095-2805（2012）02-0001-05收稿日期：2012-03-23作者简介：张波（1962-），博士，教授，博士生导师，华南理工大学电力学院副院长，校“电力电子与电气传动”学科带头人。

基金项目：国家基金重点项目(50937001)引言对称性似乎是一个人人皆知的概念，提及对称性，很自然就定格为几何上的对称性，如等腰三角形的对称性、圆形物体的对称性等，对于大多数人来说，对称性仅是一个简单、具有几何意义的概念。

然而对称性除了几何意义外，也是自然界一个具有普适性定律，它的本质是指一个系统在某种变换下所具有的不变性，例如等腰三角形具有左右变换下的不变性、牛顿定律具有伽利略变换下的不变性等，换句话说就是若一个系统与另一个系统具有某种变换关系，那么它们就具有相同特性和规律，它们就是对称的。

为此，在物理、化学等众多领域，应用对称性原理预测和发现了大量未知规律，其中最著名的例子就是门捷列夫周期律的发现，对称性也被称为物理学的第一定理[1]。

电力电子变换器级联的目的是实现性能的提高，如采用多个DC-DC 变换器级联拓宽输入输出电压比；采用AC-DC 变换器与DC-AC 变换器和AC-DC 变换器级联降低隔离变压器体积等等[2-3]，显然级联是否可行和稳定，取决于各变换器的组成和结构。

DC-DC变换器切换系统模型的N周期控制及稳定性与传统控制策略不同,单周期控制根据DC-DC变换器直流斩波调压原理,将周期平均电压作为反馈信号,实现了Buck变换器的单周期电压控制,具有高动态响应特性,因此单周期控制成为电力电子变换器的一个重要的控制策略。

然而,由于不同的电力电子变换器结构和参数不同,导致变换器的固有时间常数差异较大,单周期控制并不能推广到所有电力电子变换器中。

此外,迄今为止也没有从控制理论上阐述单周期控制的机理及稳定性问题,为此从非线性系统理论进一步认识单周期控制策略,并在此基础上提出的电力电子变换器新控制策略和稳定性分析方法具有理论和实际意义。

本文将DC-DC变换器视为一个周期切换仿射系统,建立了它们的系统模型,利用周期切换仿射系统的能控性理论,分析了DC-DC变换器的周期能控性,提出了周期能控指数判据和N周期控制策略。

N周期控制策略涵盖了单周期控制,对应于不同系统结构和时间常数的电力电子变换器,可以是2周期、3周期、…N 周期控制,从而将单周期控制推广到一般性的多周期控制,并基于切换系统理论进行了DC-DC变换器的稳定性分析。

论文具体开展了以下研究工作:1)基于切换系统理论,根据电力电子变换器有限开关周期和不可控输入量的特性,建立DC-DC变换器周期切换仿射系统模型;通过将状态变量增广一维的方法,建立了DC-DC变换器增广周期切换自治系统模型,为DC-DC变换器周期能控性分析、N 周期控制策略的提出及稳定性的研究提供了基础。

2)基于切换系统的周期能控性理论,分析了DC-DC变换器的单周期能控性和N周期能控性。

结果证明了对应于单周期控制的Buck变换器具有单周期能控性,从理论上阐明了Buck变换器单周期控制的机理。

单周期控制也适合于Boost变换器、Sepic变换器、反激式变换器、LLC串联谐振DC-DC变换器,但对于Cuk 功率因数校正变换器、Buck-Boost变换器则不是单周期能控的,而是N周期能控的。

文章编号：DC-DC变换基本电路和控制方法综述作者（江南大学物联网工程学院，江苏省无锡市 214122）摘要：近20年来，随着科学技术日新月异的发展，特别是功率开关器件的发展，DC-DC变换的拓扑结构和控制技术取得了很大的成就。

本文主要是对当前DC-DC变换电路——隔离型和非隔离型、两端口和多端口、单向变换和双向变换和控制方法——软开关、移相PWM、同步整流、多电平技术的发展与现状进行综述，并讨论了DC-DC变换器未来发展趋势。

关键词：基本电路;控制方法；隔离型；双向；同步整流中图分类号：文献标识码：1引言DC-DC变换器是将不可调的直流电压转变为可调或固定的直流电压，是一个用开关调节方式控制电能的变换电路，这种技术被广泛应用于各种开关电源、直流调速、燃料电池、太阳能供电和分布式电源系统中。

上个世纪，随着功率开关器件的发展，变换器拓扑和变换技术已经取得了很大的成就，并且已经发展到一个相当高的水平。

在DC-DC变换器演化过程中，离不开各种直流变换技术，各种新技术的产生和发展很大程度上影响了变换器拓扑的演化。

高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及低成本、小体积是DC-DC变换器的发展方向，各种变换技术也都围绕着提高变换器性能而相继被提出。

本文围绕着DC-DC变换的基本电路——隔离型和非隔离型、单端口和多端口、单向变换和双向变换以及控制方法——软开关、同步整流、移相PWM技术、多电平技术的发展和现状进行综述，并展望直流变换器未来的发展趋势。

2隔离型和非隔离型主要电路2.1非隔离型主要电路DC-DC非隔离型主要电路包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK等电路。

2.1.1降压型BUCK电路降压型BUCK电路如下图2.1所示。

工作原理为：当开关晶体管导通时，二极管关断，输入端直流电源Vi将功率传送到负载，图2.1降压型BUCK电路拓扑并使电感储能；当开关晶体管关断时，二极管导通，续流，电感向负载释放能量。

DC/DC 变换器轻载时三种工作模式的原理及优缺点
目前高频高效的DC/DC 变换器的应用越来越广泛。

通常在满输出负载时，DC/DC 变换器工作于CCM 即连续电流模式。

但是，当系统的输出负载
从满载到轻载然后到空载变化的过程中，系统的工作模式也会发生相应的改变。

下面我们将以降压型Buck 变换器为例说明DC/DC 变换器轻载时的工作模式。

降压型Buck 变换器在轻载有三种工作模式：突发模式、跳脉冲模式和
强迫连续模式。

本文我们将详细的阐述这三种模式的工作原理及优缺点。

在实际的应用中，应该根据系统对输出纹波和效率的具体要求来选取相应的工作模式。

1、跳脉冲模式
对于恒定频率的常规的非同步Buck 控制器，通常电感的电流工作于CCM
连续电流模式，电感的平均电流即为输出的负载电流。

当负载电流降低时，电感的平均电流也将降低；当负载电流降低时一定值，变换器进入临界电流模式。

此时，若负载电流进一步的降低，电感的电流回到0 后，开关周期还没有结束，由于二极管的反向阻断作用，电感的电流在0 值处保持一段时间，然后开关周期结束，进入下一个开在周期，此时变换器为完全的非连续电流模式。

变换器进入非连续电流模式后，若负载电流仍然进一步的降低，为了维持输出电压的调节，高端的开关管的开通时间将减小，直到达到控制器的最小导通时间。

高端的开关管的开通时间达到控制器的最小导通时间后，若负载电流仍然的降低，控制器就必须屏蔽掉即跳掉一些开关脉冲，以维持输出电压的调节。

这种控制方法即为跳脉冲模式。

摘要摘要在实际电路中Ｄｃ—ＤＣ开关变换器是一个强非线性离散性系统，因为开关器件在一个周期中即工作在饱和区又工作在截止区，系统在开关导通时间段和关断时间段都是线性的，即系统是按时间分段线性的和时变的，同时由于外部瞬态或持续扰动会引起变换器工作状态参数的线性变化，以及由于系统工作时导通比有上限和下限而使脉宽调制器具有饱和非线性。

而模糊控制用语言描述和规则的形式来直接表达操作人员，设计者和研究人员的直觉和经验，在不需要建模的情况下直接控制系统。

ＤＣ－ＤＣ开关变换器是一个强非线性离散性系统，其内在的强非线性特征引起了学者们的很大关注，在最近的１０年中，将模糊控制理论应用于ＤＣ—ＤＣ开关变换器中的研究广’泛的展开。

ｊ本文提出前馈模糊控制和闭环电压反馈控制的复合控制模型，通过单片机实现对前馈电压的模糊控制，辅助闭环电压反馈控制系统来实现对正激变换器的控制。

为了进一步改善系统的控制性能，对数字控制系统的主要补偿方法进行了全面的分析，最后选择用前馈控制来改善输出响应特性。

详细介绍了前馈模糊控制系统的设计，主要包括以单片机ＡＶＲ８５１５、Ａ／Ｄ转换器ＡＤ７８２４和Ｄ／Ａ转换器ＡＤ７５２８为主的硬件电路及软件设计。

并且，在文章的最后，对实验结果进行了详细的分析。

＼关键词：转换器；单脉机；模糊控制；前馈控制；复合控制＼华南理工大学工学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＰｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉＣＳＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓｏｆｔｅｎｃｏｎｓｉＳｔ１ｉｎｅａｒＣｉｒｃｕｉｔＳｔｈａｔａｒｅｓｗｉｔｃｈｅｄｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ．ＥｖｅｎｔｈｏｕｇｈｅａｃｈｏｆｔｈｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｗｈｉｃｈｓｕｃｈａｃｉｒｃｕｉｔｉＳｓｗｉｔｃｈｅｄｉＳ１ｉｎｅａｒ．ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅＣｉｒｃｕｉｔｉＳｎｏｎｌｊｎｅａｒ．ＴｈｅｍｏｓｔｃｏｍｍｏｎｅｘａｍｐｌｅｏｆｓｕｃｈａｃｉｒｃｕｉｔｉＳａｄｃ—ｄｃｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．ＤＣ—ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｈａｖｅｂｅｅｎｓｕｃｃｅＳｓｆｕｌｌＹｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｆｏｒｍａｎｙｙｅａｒｓＵＳｉｎｇａｎａｌｏｇｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ１ｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｄｅＳｉｇｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉＳｔｉＣＳｏｆｄｃ—ｄｃｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｈａｖｅｄｒａｗｎｇｒｅａｔｅｒａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｂｅｌｉｅｖｅｔｈａｔｄｅｒｉｖｉｎｇａｃｏｎｔｒｏｌａｃｔｉｏｎｆｒｏｍ１ｉｎｇｕｉＳｔｉＣｒｕｌｅｓｍｉｇｈｔｂｅａｇｅｎｅｒａｌｄｅｓｉｇｎａｐｐｒｏａｃｈｔｈａｔａｖｏｉｄｓｓｏｍｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｉｅｓａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｎｏｎｌｉｎｅａｒｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ．ＴｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎＡＴＭＥＬｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒＡＶＲ８５１５ｉＳｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｅｎｔｉｒｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．ＡｌＳＯｔｈｅＡ／ＤｃｏｎｖｅｒｔｅｒＡＤ７８２４ａｎｄＤ／ＡｃｏｎｖｅｒｔｅｒＡＤ７５２８ａｒｅｕｓｅｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｄｉｇｉｔａｌａｎｄａｎａｌｏｇＳｉｇｎａｌ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｏｎｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｖｅｌｏｐｓａｃｏｍｐｏｕｎｄｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｌｆｏｒａｄｃ—ｄｃｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅｃｏｍｐｏｕｎｄｃｏｎｔｒ０１ｍｏｄｅｌｃｏｎｓｉｓｔＳｏｆｆｕｚｚｙｆｏｒｗａｒｄｆｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌａｎｄＣｌｏｓｅｌｏｏｐＶ０１ｔａｇｅｂａｃｋｗａｒｄｆｅｅｄｃｏｎｔｒ０１．ＴｈｅｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｆｏｒｗａｒｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉＳｍａｄｅａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ：ｆｏｒｗａｒｄｆｅｅｄ：ｃｏｍｐｏｕｎｄＣｏｎｔｒｏｌ第一争绪论第一章绪论１．１课题的研究背景与意义ＤＣ－ＤＣ开关变换器属于功率电子学（ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉＣＳ）的研究范畴，它涉及电子学、电力技术和控制理论等学科，从七十年代初发展至今，有关这类变换器的理论分析和应用研究得到极大的发展。