控制器設計和穩定性分析

控制器是控制系統動態反應、穩定性和性能的DC-DC轉換器設計中的一個關鍵要素。 控制器的主要功能是調節輸出電壓或電流, 使轉換器能夠用所需數量的電力提供負荷。 本節討論控制器設計和穩定性分析,這是DC-DC轉換器設計的關鍵方面。

Controller Design

DC-DC轉換器除了使用其他類型的控制器外,還可以使用模擬和數字控制器。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、靈活性和性能改進的優勢?？刂破黝愋瓦x擇取決于應用程序的具體要求和預期的性能特征。一般而言,控制器設計過程涉及以下步驟:

選擇控制戰略(如VMC或CMC)

控制環的設計,包括補償和反饋網絡

計算控制器參數,以達到理想的動態反應和穩定幅度

Stability Analysis

控制器設計的一個關鍵組成部分是穩定性分析,它保證轉換器在面對不斷變化的操作條件和載荷擾動時保持穩定。 設計完善的控制器應提供足夠階段并獲得利潤,以維持穩定,避免波動或不有利的瞬時反應。

DC-DC轉換器的穩定性可以采用各種方法加以研究,包括時空技術、頻域技術和國家空間分析。

Bode 地塊: Bode 地塊提供了開環收益和轉換器控制循環階段的圖形表示。通過分析 Bode 地塊,工程師可以評估穩定性差,并確定適當的補償設計,以確保穩定性。

原地分析:這一技術涉及繪制轉換器控制環的特性方程的根部,作為循環增益等不同參數的函數。根地分析可以揭示穩定性特性,并幫助設計控制器以保持整個操作范圍的穩定性。

國家空間分析:國家空間分析是一種數學技術,它代表了轉換器使用狀態變量和狀態方程式的動態。這種方法可以對系統的穩定性和動態反應進行綜合分析,從而能夠設計更先進的控制器和補償器。

Soft-switching Techniques

軟開關技術是先進的DC-DC轉換器設計的一個重要方面,因為這些技術有助于提高效率、減少電磁干擾和盡量減少轉換損失。 為了盡量減少能源損失和轉換器部件的壓力,軟開關方法通常試圖在電壓或當前壓力最小的狀態之間轉換開關。 本節探討軟開關方法在DC-DC轉換器中的基本想法和實際應用。

Types of Soft-switching Techniques

軟開關技術可大致分為兩類:零壓開關(ZVS)和零流開關(ZCS)。

零排切換(ZVS):在 ZVS 中,當開關的電壓為零或接近零時,開關會從關閉轉向狀態。這種技術可以減少開關的損失和壓力,因為開關開關時電壓很少或沒有。

零現交換(ZCS):在 ZCS 中,當電流通過開關為零或接近零時,開關會從一個開關向關閉狀態轉變。因此,由于開關關閉時沒有電流,開關的開關損失和壓力最小化。

Implementing Soft-switching Techniques

軟開關技術可以不同方式實施,這取決于轉換器地形學和預期性能特征。

共振轉換器:共振轉換器的構造以指定的共振頻率運行,允許軟開關。通過使用感應器和電容器等共振元素,轉換器可以實現ZVS或ZCS的操作,減少開關損失并提高效率。

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

分階段轉移控制:為了完成軟開關操作,全橋轉換器使用級變控制技術。ZVS操作可以通過改變主側開關的門驅動信號的相對階段,降低開關損失并提高效率。

Advantages and Challenges

軟開關技術的主要優勢包括降低轉接損失、提高效率和將電離層電離層最小化。 然而,實施軟開關技術往往帶來挑戰,如電路復雜性增加、被動部件增加以及控制計劃更加復雜等。

Isolated DC-DC Converters

在電力電子系統中,孤立的DC-DC轉換器是必不可少的,特別是當轉換器的輸入和輸出兩邊需要隔熱時。 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系。本節討論了孤立的DC-DC轉換器的原則、地形和設計考慮。

Principles of Isolation

在DC-DC轉換器中,隔離往往是通過在轉換器設計中列入一個變壓器來實現的。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,同時防止了在不同電壓水平運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轉換器有幾種常用的地形圖,每個轉換器都有其獨特的特點和應用:

Frebback 轉換器: 飛回轉換器由于其簡單和低元件計數,在中低功率應用中很受歡迎。 它在開關時將能量儲存在變壓器磁場,并在開關時將能量轉移到輸出電路。

轉發轉換器: 遠端轉換器與飛回轉換器類似,但在輸出方使用單獨的感應器儲存能源,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用。

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

全橋和半橋轉換器:這些地形用于高功率應用,并因其對稱操作而提高了效率。它們使用四個開關(全橋)或兩個開關或兩個開關和兩個二極管(半橋)在一級變壓器上形成一個平方波,從而將有效的能源轉移到產出方。

Design Considerations

為了在開發孤立的DC-DC轉換器的同時取得最佳業績,必須考慮到若干標準,其中包括:

變壓器設計:孤立轉換器的隔離水平、效率和輸電能力都由變壓器的設計決定,根據應用的需要,必須仔細選擇核心材料、旋轉比率和刮線方法等參數。

控制和反饋:為了控制孤立轉換器的輸出電壓,需要一個反饋機制。這種反饋可以通過在傳送信息的同時提供隔離的多功能轉換器實現,也可以通過專用的隔熱放大器或數字隔離器實現。

轉換頻率和效率:變壓器和其他被動部件的大小,以及轉換器的總體效率,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。

保護特征:為確保在異常情況下安全運行,孤立的轉換器應具有保護功能,包括高壓、高流和高溫保護。

Multi-Output Converters

多輸出轉換器是電力電子系統的一個關鍵要素,這些電子系統需要多個電壓水平來驅動不同的負荷或部件,這些轉換器使得有可能從單一輸入源產生許多輸出電壓,提高系統效率和降低復雜性,多輸出轉換器的基本原理、典型的地形和設計考慮將在本節中論述。

Advantages of Multi-Output Converters

與每個電壓水平使用單個單輸出轉換器相比,多輸出轉換器的使用帶來若干好處:

減少的構成部分計數:多產出轉換器所需部件較少,導致設計更小、更緊湊、成本效益更高。

提高效率:多產出轉換器通過共享共同部件和從單一投入源運作,可以比多個孤立的單一產出轉換器實現更好的整體效率。

簡化控制和監測:單一控制器可以管理多個輸出電壓,減少控制和監測電路的復雜性。

強化負載管制:多輸出轉換器的輸出電壓可以設計為嚴格監管,確保向不同負荷提供穩定的電力。

Common Topologies for Multi-Output Converters

可用于實施多產出轉換器的各種地形可使用,其中最常用的有:

帶多個輸出的反回回回翻滾轉換器:飛行回背轉換器可以很容易地調整,通過在變壓器和過濾器中增加二次繞行,提供多個輸出電壓。要產生理想的輸出電壓,每個二次繞行都與不同的輸出矩形相連接。

帶有多個輸出的轉發轉換器:就像一個飛背轉換器一樣,一個前方轉換器可以通過在變壓器中增加額外的二次通風來提供眾多的輸出電壓。每個輸出都使用一個輸出導管來存儲能量和較低的電壓波。

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

uk-derived 多輸出輸出轉換器:通過將更多的uk轉換器序列階段與初級階段連接起來,可以設計一個uk轉換器,提供幾種產出,每個階段都產生獨立的輸出電壓。

Design Considerations for Multi-Output Converters

工程師在建立多產出轉換器時必須考慮到若干標準,以確保最大性能和可靠操作:

產出壓壓條例:在多輸出轉換器中,交叉管制是一個典型的問題,因為當一個輸出電壓發生改變時,它可能會影響其他輸出電壓。為了減少交叉管制的后果,轉換器的設計必須配備適當的反饋和控制機制。

加載平衡:需要建立轉換器,以應對各種產出的不同負荷情況。每種產出的負荷可以通過使用平載技術平均分配。

變壓器設計:多輸出轉換器的性能受到變壓器設計的巨大影響,包括核心材料、旋轉比率和刮線方法。

控制控制戰略:為確保嚴格監管和穩定,必須對每項產出實施有效的控制技術,視應用的需要而定,這可能包括使用單一控制器來管理所有產出或為每項產出分別設置控制器。

EMI and Noise Reduction Techniques

電磁干擾(EMI)和噪音是電力電子系統,特別是DC-DC轉換器的關鍵問題,這些現象可能使該系統的部件受損、運作不穩定或功能不那么有效,EMI的起源和DC-DC轉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轉換器中有許多電離層和噪音的來源,包括:

當動力半導體裝置快速開關時,即產生切換瞬態,從而產生連續和輻射電磁干擾(EMI)。

寄生蟲成分:寄生蟲抗藥性、誘導力和能能可促成轉換器中的噪音產生,并可在導管、電容器甚至多氯聯苯痕跡中找到。

負載變化:負載的突然變化可能造成瞬時電壓和當前波動,導致電離析和噪音生成。

地面環圈:無意的地面環繞可能造成流流,造成不必要的噪音和干擾。

Techniques for EMI and Noise Reduction

可采用若干技術來減少環境-MI和噪音。

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

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

適當場地:實施適當的地基計劃,包括恒星地基計劃,可以最大限度地減少地環,減少噪音聯動。

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換有關的電壓和電流瞬態。

傳播頻譜技術:改變轉換器的轉換頻率可以將電離電離層能量擴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。

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

優化:適當設計多氯聯苯的布局,包括部件的布局、跟蹤路由和最大限度地減少環形區域,可以大大減少電離層和噪音聯動。

EMI Standards and Compliance

為了保證電子設備的安全和可靠操作,許多監管機構提出了EMI標準和建議,這些規格提供了允許EMI限制和測試方法,以確保遵守,CISPR、FCC和IEC標準是廣泛使用的EMI標準的幾個例子,DC-DC轉換器的設計必須滿足有關應用所需的EMI要求。

審核編輯：彭菁