控制器设计和稳定性分析

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描述

控制器是控制系统动态反应、稳定性和性能的DC-DC转换器设计中的一个关键要素。控制器的主要功能是调节输出电压或电流, 使转换器能够用所需数量的电力提供负荷。本节讨论控制器设计和稳定性分析,这是DC-DC转换器设计的关键方面。

Controller Design

DC-DC转换器除了使用其他类型的控制器外,还可以使用模拟和数字控制器。由于这些控制器的简单性和方便性,电压模式控制(VMC)和电流模式控制(CMC)等模拟控制器已被广泛使用。最近,数字控制器越来越受欢迎,提供了程序可操作性、灵活性和性能改进的优势。控制器类型选择取决于应用程序的具体要求和预期的性能特征。一般而言,控制器设计过程涉及以下步骤:

选择控制战略(如VMC或CMC)

控制环的设计,包括补偿和反馈网络

计算控制器参数,以达到理想的动态反应和稳定幅度

Stability Analysis

控制器设计的一个关键组成部分是稳定性分析,它保证转换器在面对不断变化的操作条件和载荷扰动时保持稳定。设计完善的控制器应提供足够阶段并获得利润,以维持稳定,避免波动或不有利的瞬时反应。

DC-DC转换器的稳定性可以采用各种方法加以研究,包括时空技术、频域技术和国家空间分析。

Bode 地块: Bode 地块提供了开环收益和转换器控制循环阶段的图形表示。通过分析 Bode 地块,工程师可以评估稳定性差,并确定适当的补偿设计,以确保稳定性。

原地分析:这一技术涉及绘制转换器控制环的特性方程的根部,作为循环增益等不同参数的函数。根地分析可以揭示稳定性特性,并帮助设计控制器以保持整个操作范围的稳定性。

国家空间分析:国家空间分析是一种数学技术,它代表了转换器使用状态变量和状态方程式的动态。这种方法可以对系统的稳定性和动态反应进行综合分析,从而能够设计更先进的控制器和补偿器。

Soft-switching Techniques

软开关技术是先进的DC-DC转换器设计的一个重要方面,因为这些技术有助于提高效率、减少电磁干扰和尽量减少转换损失。为了尽量减少能源损失和转换器部件的压力,软开关方法通常试图在电压或当前压力最小的状态之间转换开关。本节探讨软开关方法在DC-DC转换器中的基本想法和实际应用。

Types of Soft-switching Techniques

软开关技术可大致分为两类:零压开关(ZVS)和零流开关(ZCS)。

零排切换(ZVS):在 ZVS 中,当开关的电压为零或接近零时,开关会从关闭转向状态。这种技术可以减少开关的损失和压力,因为开关开关时电压很少或没有。

零现交换(ZCS):在 ZCS 中,当电流通过开关为零或接近零时,开关会从一个开关向关闭状态转变。因此,由于开关关闭时没有电流,开关的开关损失和压力最小化。

Implementing Soft-switching Techniques

软开关技术可以不同方式实施,这取决于转换器地形学和预期性能特征。

共振转换器:共振转换器的构造以指定的共振频率运行,允许软开关。通过使用感应器和电容器等共振元素,转换器可以实现ZVS或ZCS的操作,减少开关损失并提高效率。

辅助电路:在主转换器电路中可添加辅助电路,以便利软开关操作。为在转换过程中运输能量提供一个共振路径,这些电路通常包括额外的开关、二极管和被动部分。

分阶段转移控制:为了完成软开关操作,全桥转换器使用级变控制技术。ZVS操作可以通过改变主侧开关的门驱动信号的相对阶段,降低开关损失并提高效率。

Advantages and Challenges

软开关技术的主要优势包括降低转接损失、提高效率和将电离层电离层最小化。然而,实施软开关技术往往带来挑战,如电路复杂性增加、被动部件增加以及控制计划更加复杂等。

Isolated DC-DC Converters

在电力电子系统中,孤立的DC-DC转换器是必不可少的,特别是当转换器的输入和输出两边需要隔热时。这种隔热提供了安全性、噪音免疫性以及提升或逐步降低电压的能力,而输入和输出之间没有直接的电力联系。本节讨论了孤立的DC-DC转换器的原则、地形和设计考虑。

Principles of Isolation

在DC-DC转换器中,隔离往往是通过在转换器设计中列入一个变压器来实现的。变压器通过使用磁性连接而不是直接电路连接来传输输入和输出电路之间的能量,从而产生变压器隔离。这种隔离防止了高频噪音和输入和输出电路之间的常见电压流动,同时防止了在不同电压水平运行的电路之间的直接电流路径,从而保证了安全。

Common Isolated Converter Topologies

孤立的DC-DC转换器有几种常用的地形图,每个转换器都有其独特的特点和应用:

Frebback 转换器: 飞回转换器由于其简单和低元件计数,在中低功率应用中很受欢迎。它在开关时将能量储存在变压器磁场,并在开关时将能量转移到输出电路。

转发转换器: 远端转换器与飞回转换器类似,但在输出方使用单独的感应器储存能源,从而提高效率和减少输出电压波。该表层适合用于中等电源应用。

Push- Pull 转换器:推拉转换器使用两个交换器,通过变压器将能量转换为输出。这种表层学提供比飞回和前方转换器更高的功率和较低的输出电压波。

全桥和半桥转换器:这些地形用于高功率应用,并因其对称操作而提高了效率。它们使用四个开关(全桥)或两个开关或两个开关和两个二极管(半桥)在一级变压器上形成一个平方波,从而将有效的能源转移到产出方。

Design Considerations

为了在开发孤立的DC-DC转换器的同时取得最佳业绩,必须考虑到若干标准,其中包括:

变压器设计:孤立转换器的隔离水平、效率和输电能力都由变压器的设计决定,根据应用的需要,必须仔细选择核心材料、旋转比率和刮线方法等参数。

控制和反馈:为了控制孤立转换器的输出电压,需要一个反馈机制。这种反馈可以通过在传送信息的同时提供隔离的多功能转换器实现,也可以通过专用的隔热放大器或数字隔离器实现。

转换频率和效率:变压器和其他被动部件的大小,以及转换器的总体效率,都受到所用交换频率的影响。在较高频率上可以使用较小的变压器,但变压器损失和电离层电离层可能会上升。

保护特征:为确保在异常情况下安全运行,孤立的转换器应具有保护功能,包括高压、高流和高温保护。

Multi-Output Converters

多输出转换器是电力电子系统的一个关键要素,这些电子系统需要多个电压水平来驱动不同的负荷或部件,这些转换器使得有可能从单一输入源产生许多输出电压,提高系统效率和降低复杂性,多输出转换器的基本原理、典型的地形和设计考虑将在本节中论述。

Advantages of Multi-Output Converters

与每个电压水平使用单个单输出转换器相比,多输出转换器的使用带来若干好处:

减少的构成部分计数:多产出转换器所需部件较少,导致设计更小、更紧凑、成本效益更高。

提高效率:多产出转换器通过共享共同部件和从单一投入源运作,可以比多个孤立的单一产出转换器实现更好的整体效率。

简化控制和监测:单一控制器可以管理多个输出电压,减少控制和监测电路的复杂性。

强化负载管制:多输出转换器的输出电压可以设计为严格监管,确保向不同负荷提供稳定的电力。

Common Topologies for Multi-Output Converters

可用于实施多产出转换器的各种地形可使用,其中最常用的有:

带多个输出的反回回回翻滚转换器:飞行回背转换器可以很容易地调整,通过在变压器和过滤器中增加二次绕行,提供多个输出电压。要产生理想的输出电压,每个二次绕行都与不同的输出矩形相连接。

带有多个输出的转发转换器:就像一个飞背转换器一样,一个前方转换器可以通过在变压器中增加额外的二次通风来提供众多的输出电压。每个输出都使用一个输出导管来存储能量和较低的电压波。

Buck-Derived 多输出输出转换器:该表层使用单一的转压器作为初级阶段,增加的转压器与初级阶段的输出平行连接,以产生必要的输出电压。

uk-derived 多输出输出转换器:通过将更多的uk转换器序列阶段与初级阶段连接起来,可以设计一个uk转换器,提供几种产出,每个阶段都产生独立的输出电压。

Design Considerations for Multi-Output Converters

工程师在建立多产出转换器时必须考虑到若干标准,以确保最大性能和可靠操作:

产出压压条例:在多输出转换器中,交叉管制是一个典型的问题,因为当一个输出电压发生改变时,它可能会影响其他输出电压。为了减少交叉管制的后果,转换器的设计必须配备适当的反馈和控制机制。

加载平衡:需要建立转换器,以应对各种产出的不同负荷情况。每种产出的负荷可以通过使用平载技术平均分配。

变压器设计:多输出转换器的性能受到变压器设计的巨大影响,包括核心材料、旋转比率和刮线方法。

控制控制战略:为确保严格监管和稳定,必须对每项产出实施有效的控制技术,视应用的需要而定,这可能包括使用单一控制器来管理所有产出或为每项产出分别设置控制器。

EMI and Noise Reduction Techniques

电磁干扰(EMI)和噪音是电力电子系统,特别是DC-DC转换器的关键问题,这些现象可能使该系统的部件受损、运作不稳定或功能不那么有效,EMI的起源和DC-DC转换器的噪音以及减少和减轻这些噪音的若干方法将在本部分加以论述。

Sources of EMI and Noise in DC-DC Converters

DC-DC转换器中有许多电离层和噪音的来源,包括:

当动力半导体装置快速开关时,即产生切换瞬态,从而产生连续和辐射电磁干扰(EMI)。

寄生虫成分:寄生虫抗药性、诱导力和能能可促成转换器中的噪音产生,并可在导管、电容器甚至多氯联苯痕迹中找到。

负载变化:负载的突然变化可能造成瞬时电压和当前波动,导致电离析和噪音生成。

地面环圈:无意的地面环绕可能造成流流,造成不必要的噪音和干扰。

Techniques for EMI and Noise Reduction

可采用若干技术来减少环境-MI和噪音。

输入和输出过滤:被动过滤器,包括带感应器和电容器的低传式过滤器,可在转换器的输入和输出时安装,以降低高频噪音和电离层电离层。

屏蔽:使用导电材料(如金属封口)保护转换器,可有助于防止放射电离电离电离层影响其他部件和系统。

适当场地:实施适当的地基计划,包括恒星地基计划,可以最大限度地减少地环,减少噪音联动。

脉冲电路:由阻力器和电容器组成的脉冲电路可用于抑制与电动装置转换有关的电压和电流瞬态。

传播频谱技术:改变转换器的转换频率可以将电离电离层能量扩散到更广泛的频率范围,从而降低电离层电离层总峰值水平。

软开关技术:采用软开关技术,如零压开关(ZVS)或零流开关(ZCS),可以减少高频开关中继器和EMI生成。

优化:适当设计多氯联苯的布局,包括部件的布局、跟踪路由和最大限度地减少环形区域,可以大大减少电离层和噪音联动。

EMI Standards and Compliance

为了保证电子设备的安全和可靠操作,许多监管机构提出了EMI标准和建议,这些规格提供了允许EMI限制和测试方法,以确保遵守,CISPR、FCC和IEC标准是广泛使用的EMI标准的几个例子,DC-DC转换器的设计必须满足有关应用所需的EMI要求。

审核编辑：彭菁

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