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专利号: 2016106015245
申请人: 西安科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.Boost变换器负调电压抑制方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤一:建立Boost变换器研究模型:所述Boost变换器的电路包括输入电压Vi、电感L、电容C、输出电压Vo、电阻R、开关管VT;

步骤二:通过分析电感电流连续且电感完全供能模式模式(CCM-CISM)下负调电压产生的机理,确定负调电压突变涉及的关键参数:

1、在CCM-CISM下,输入电压Vi、输出电压Vo和占空比D有如下关系式:

2、考虑Boost变换器的负调现象:令开关管VT导通阶段为Ton、开关管VT关断阶段为Toff、占空比D突变之前为D1、突变之后为D2、占空比D突变的时刻称为t0、占空比D突变后的输出电压瞬时vo(t)值最小时刻称为t1、占空比D突变后的输出电压瞬时值vo(t)恢复原稳定状态值的时刻称为t2、占空比D突变后的输出电压瞬时值vo(t)升至最高值时刻称为t3;

3、建立并分析电感电流iL(t)和输出电压vo(t)在占空比由D1突变为D2时刻的微观震荡变化模型:令电感电流iL(t)起始时位于谷底的值为ILV0、令电感电流iL(t)再次达到谷底的值为ILV1,且电感电流第三次达到谷底时,占空比D突变;

令输出电压瞬时值vo(t)在首次达到谷底时的值为VOV0、输出电压瞬时值vo(t)第二次达到峰值的值为VOP1、输出电压瞬时值vo(t)第二次达到谷底的值为VOV1、输出电压瞬时值vo(t)第三次达到峰值时的值为VOP2,输出电压瞬时值vo(t)第三次达到峰值时,占空比D突变,令输出电压瞬时值vo(t)突变后首次达到谷底的值为VOV2;

令电感电流iL(t)在波动时的平均值为 令输出电压瞬时值vo(t)在波动时的平均值为

3.1、0-t0时段的稳定工作状态分析:

3.1.1、当变换器工作在稳定状态,同时处于CCM-CISM时的电感电流,有如下关系:

3.1.1.1、在VT导通Ton期间,电感L储能,根据电磁感应定律有:

式(2)中iL(t)是电感电流,t是Boost变换器工作时间,由式(2)导出在Ton期间,电感L中的电流增量:

3.1.1.2、在Toff期间,电感L释放能量,根据电磁感应定律有:

由式(4)得出在Toff期间的L中的电流增量为:

式(5)中D1+D′1=1;

3.1.1.3、当变换器运行在稳定平衡状态时,有如下关系式:ΔΙL(on)=|ΔΙL(off)|    (6)由式(6)可得知变换器工作在稳定平衡状态时,电感L在VT导通Ton期间吸收的能量和在Toff期间释放能量相等,电感电流满足ΙLV0=ΙLV1,ΙLP0=ΙLP1;

3.1.2、当变换器工作在稳定状态,同时处于CCM-CISM时,电容输出电压瞬时值为:

变换器工作在稳定状态对公式(7)的分析可得在稳定状态时输出电压峰-峰值之间满足如下关系:VOV0=VOV1,VOP1=VOP2    (8)令t=D1Ts时,VOP1和VOV1之间关系即为:

3.2、当Boost变换器发生占空比突变时,将瞬态过渡过程分为负调和超调两个阶段;

3.2.1、在t0-t2时段的负调工作状态时,由占空比导致输出电压增量的表达式根据变换器控制变量到输出小信号的模型,可得:

对式(10)求拉普拉斯反变换并化简得负调电压数学模型:

其中

根据Boost变换器非最小相位反应规律可知,占空比增大导致负调电压分两个阶段(0<ζ<1);

3.2.1.1、在t0-t1时段,输出电压瞬时值vo(t)下冲:在t0时刻,占空比由D1突变为D2时,在Ton期间,电感电流增量为:

在式(12)中D1+Δd=D2;

在Toff期间,L中的电流增量为:

在式(13)中D1-Δd=D′2;

由占空比突然增大为D2时,即占空比增大Δd时,输出电压之间关系为:

由式(9)和式(14)得:

由式(15)得知占空比由D1突然增大为D2时,输出电压Vo减小,Δv′o(t)<0,而电感电流ΔΙL(on)继续增大,当系统出现负调最大值时其导数为零,Δv′o(t)=0,对式(11)求导得:

注:tP一般较小,公式(16)可以利用麦克劳林公式进行近似表示。

式(16)中tP为下冲开始至下冲到达谷底所用时间;

3.2.1.2、在t1-t2时段,输出电压瞬时值vo(t)回调:在此阶段,负调电压逐步上升,在t2时刻时,Δvo(t)=0;

3.2.2、在t2-t3时段,输出电压瞬时值vo(t)超调:在此阶段,输出电压持续增大,在t3时刻输出电压出现超调,达到最大值后,经过动态调节,输出电压最终达到占空比为D2时的输出电压;

4、确定负调电压突变涉及的关键参数:根据3中的分析得出涉及负调过程的关键参数有:下冲开始至下冲到达谷底所用的时间tP、负调所用时间tV以及最大负调电压Δvo(tP),由于根据式(16)可确定tP与变换器参数之间关系,且tV受tP的正影响,所以负调电压抑制仅需分析tP和Δvo(tP);

由式(11)和式(16)可知tP和Δvo(tP)的影响参数为电感L、电容C、占空比D和负载R,其中仅电感L、电容C可优化,所以确定电感L、电容C为关键参数;

步骤三:建立负调电压数学模型,分析电感和电容对负调电压的影响:首先将不同电容值代入式(16)得出不同电容对应的tP,然后将不同的tP代入公式(11)得每个不同电容对应的Δvo(tP),得出tP与Δvo(tP)关系曲线,由所述关系曲线得出满足纹波要求的最小电容对应最大Δvo(tP)和最小的tP;

令2R2D′2C>>L,将式(16)转化为:

即当电容量增大到满足2R2D′2C>>L关系时,式(16)可简化成电容C对tP的影响忽略不计;

步骤四:确定抑制负调电压的电感电容选取条件:由式(17)得出:较小的电感更有利于缩短tP,将电感量选择在临界电感1.2倍裕量;电感确定后再根据电感值计算满足纹波要求的电容值,且2R2D′2C大于电感L的值10倍以上;

步骤五:仿真和实验验证:

利用Boost变换器工作在CCM-CISM下进行仿真分析,取Boost变换器参数,在仿真软件PSIM9.0环境下搭建系统仿真模型;

取变换器的相关参数,设立实验平台,验证Boost变换器抑制负调电压的合理性。