超高压直流-直流转换器提高拓扑和简单的控制策略

文摘

介绍操作直流-直流buck变换器的拓扑结构提高超高压应用程序模式。传统直流-直流转换器提高用于高压应用程序,但它们并不是经济由于有限的输出电压,效率和他们需要两个传感器与复杂的控制算法。此外,由于寄生的影响元素直流-直流转换器的输出电压和功率传输效率是有限的。克服这些限制使用的电压提升技术,打开一个好方法提高直流-直流转换器的性能特征。这项技术应用于直流-直流转换器和简化控制算法。控制器的性能研究线路和负载扰动。这些转换器执行积极的直流-直流电压转换和高功率密度增加,效率高、结构简单、低成本小涟漪,大范围的控制。仿真结果提供理论分析来验证其性能。

1。Introducton

继续论文工作(1),其他两个拓扑为超高压开发应用程序。传统的提高转换器用于超高压应用程序。但它们不是经济由于有限的输出电压,效率,和他们需要两个传感器与复杂的控制算法。由于寄生元素的影响,输出电压和传输效率转换器是有限的。电压提升技术是一种流行的方法广泛应用于电子电路设计。它已经成功地用于转换器(1- - - - - -5]应用近年来,开了一个高压获得转换器的设计方式。输出电压增加维几何级数。为了克服这些限制,使转换器和一个简单的控制回路,使用一种新技术叫做电压提升技术(6- - - - - -11]。

在本文中,一个新的系列变换器拓扑分析,不同于古典提高转换器。介绍了积极输出提高转换器采用电压提升技术,实现了输出电压在一个简单的几何级数增加。他们也有效地提高电压传输增益按幂律。的性能转换器优于经典降低了控制方案。的性能转换器优于经典具有以下优势。(我)它执行类似于经典提高转炉与相对高压传输比例。(2)广泛的控制与光滑波纹的输出电压是一个额外的优势提出了转换器。(3)高功率密度比古典提高变换器效率高。(iv)只需要一个传感器闭环控制器。本文提出了转换器的操作和数学分析I和II。开发一个算法来产生PWM脉冲的声道输出的MOSFET。变换器的仿真模型在MATLAB7使用仿真软件开发工具箱。进行仿真研究线路和负载扰动下的变换器的性能。并给出了仿真结果,与理论紧密匹配的结果。的有效性的转换器的性能进行了比较,体现出古典提高转换器。

2。提高转换器电路

2.1。结构资料

提出的拓扑结构的新一系列提高转换器来源于提高变换器电路。结构资料是提高变换器电路的电压提升组件,即附加电感器和电容器的三个阶段的基本电路如图所示1。在这种拓扑中,开关是声道输出的功率MOSFET器件(NMOS),它是由一个pulse-width-modulated (PWM)与变频开关信号和传导的责任。通常对于这个电路,负载电阻,

这个电路的基本原理在提高输出电压充电和放电活性元素到一个负载,控制费用的水平,因此输出电压通过切换供应的电路以非常高的频率。它们包括一个随心所欲的二极管的保护开关电感高反向电流,这也保证了生成的应用于负载电感能量。电容与负载连接过滤输出纹波和维持一个恒定的输出电压。

它由被动组件:一个静态开关,二极管,四个电感和电容电容器执行特点提高电容器的电压。定义所有电压和电流的方向,如图1。我们假定所有的组件都是理想和电容器是足够大的。我们还假设电路操作在连续导通模式。输出电压和电流和输入电压和电流和。

2.2。分析结构资料

当开关,其等效电路如图2。源瞬时电流等于负载电流增加的两个电压。源电压并通过电容器的电压在期间。也是电容器和被指控接通状态下的输入电压。所有的电感电流接通期间上升。当开关是关闭的,源电流等于零。电感的储能和电容和电容器放电和充电方向如图3。同时,当前流经负载,持续的电感器。电流减少停电期间。

在稳定状态,平均电感电压在一段时间内为零。因此

电感电流接通时期增加和减少停电时间。相应的电压在和- - - - - -。

因此,

同样的,

接通期间,电容器的电压等于源电压加的电压。因为我们假设和足够大,接通期间, 因此,从关闸时间等效电路,

电压传输增益连续导电模式(CCM)

输出电压,电流,电压转移收获总结如下:

平均电压

平均电流

2.3。Topology-II

Topology-II的提高转炉来源于结构资料。Topology-II是一样的结构资料有额外的电压提升电路组件,即电容器和电感除了结构资料的电路。这个转换器的输出电压和电流是光滑的。这个转换器的输出电压是输入电压源的四倍。它由一个静态开关,二极管电感器电容器和输出电容。可以看出,有一个电容器一个电感和两个二极管添加到电路。电容器执行特点提高电容器的电压电压源的四倍。所有电压和电流的方向定义和图所示4。

它假定所有的组件都是理想和足够大的电容器。还假定电路操作在连续导电模式。输出电压和电流和,输入电压和电流和。Topology-II执行positive-to-positive升压电压转换效率高、功率密度高、廉价的拓扑结构简单。

2.4。分析Topology-II

当开关打开时,等效电路如图5。源瞬时电流等于添加两个电压的负载电流,电压源并通过电容器的电压接通期间。也是电容器被指控接通状态下的输入电压。所有的电感电流接通期间上升。当开关关闭,源电流等于零,等效电路如图6。电感的储能和电容电容器放电和指控方向如图6。同时,当前流经负载,持续的电感器所有的电感电流减少停电期间。

在稳定状态下,平均电感电压在一段时间内为零。因此

在接通期间,

也

电感电流接通时期增加和减少停电时间。相应的电压在和- - - - - -。

因此,

同样的,对

从关闸时间等效电路,

输出电压,电流,电压传输增益总结如下

平均电压

平均电流

表1说明之间的比较分析转换器与古典提高转换器。从表中,很明显,该变换器拓扑产生更高的输出电压。

3所示。为提出提高变换器闭环控制器

提出了闭环控制方案提高变换器拓扑如图7和8。控制方案基本上只由一个电压传感器的简单控制结构与传统相比提高转炉既需要电压和电流传感器。负载的电压反馈并与参考电压和错误了控制器稳定误差和来自控制器的信号调制信号的脉宽调制方案。信号从控制器与高频斜坡信号来产生所需的脉冲声道输出的MOSFET开关获得参考在负载电压。本文对上述模型的转换器12,131)使用Ziegler-Nichols方法是(形曲线技术)应用于设计控制器。

阶跃输入应用于植物模型和响应形状的曲线。通过画切线形曲线的拐点,参照设在,时间延迟和时间常数计算。使用[12]Ziegler-Nichols图表,的值和计算。的上述方法设计的控制器测试不同干扰条件下并提供可行性结果。关闭两种拓扑控制计划和调优参数相同和是不同的。

4所示。仿真结果

提出的仿真结果提高变换器拓扑简化提出了控制器方案和进一步的讨论。电感和电容的设计是基于5%波纹输出(14)和值是相同的负载和提高电路的一部分。

仿真参数的分析

输入电压= 10伏,

电感= 100 ?µH,

电容= 5 ?µF,

负载电阻= 44 ?欧姆,

占空比= 0.6666,

开关频率= 50 ?千赫。

控制器传递函数:

图9描绘了变换器的输出电压在额定状态,维持90伏在44欧姆负载电阻,和相应的输出电流2.045安培如图10。图11显示了线电压变化应用于结构资料,最初10伏特是维护和更改9伏在0.03秒,分析干扰的性能。图12显示了负载电阻变化应用于结构资料,最初48个欧姆维护和引入了一个变化在0.05秒44欧姆,分析负载干扰的性能。图13说明了输出电压在两线和负载扰动的结构资料,输出电压稳定在0.005秒的失真条件下的闭环控制器。图14说明了输出电流在线路和负载扰动的结构资料,从48欧姆负载电阻减少在0.05秒44欧姆负载电流增加1.875 ~ 2.045安培安培。

图15描绘了变换器的输出电压在额定状态,维持120伏在44岁吗?欧姆负载电阻和相应的输出电流2.7272安培如图16。图17显示了线电压变化应用于结构资料,最初10伏的维护和引入更改9伏在0.02秒,分析干扰的性能。图18显示了负载电阻变化应用于结构资料,最初48个欧姆维护和引入了一个变化在0.04秒44欧姆,分析负载干扰的性能。图19说明了输出电压在两线和负载扰动的结构资料,输出电压稳定在0.005秒的失真条件下的闭环控制器。图20.说明了输出电流在线路和负载扰动的结构资料,从48欧姆负载电阻减少在0.05秒44欧姆负载电流增加2.5 ~ 2.7272安培安培。

5。该转换器的有效性

的有效性提出的变换器拓扑表所示2通过比较仿真结果与经典提高转换器。从表2输出电压的变化从33.33伏特为结构资料300伏特,44.44伏特为topology-II 400伏特,分别为0.1到0.9的比例的责任。然而,经典的转换器产生最多只有90伏特。这表明该变换器提供了更高的输出电压。

6。结论

一个新的系列提出了提高变换器拓扑。拓扑使用电压提升技术获得的古典提高转换器的输出电压高于相同的责任比例。这项技术也克服了寄生的影响元素和最小化输出电压的纹波。简化控制器与传感器的目的是保持输出电压在负载和线路干扰要求的水平。仿真结果验证了理论分析。提出的变换器拓扑发现应用程序在计算机外围电路、医疗设备、工业应用要求更高电压。

引用

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