（控制理论与控制工程专业论文）电子功率谐振变换器建模与控制的研究.pdf

摘要 摘要 随着电力电子技术的发展，功率变换器在开关电源、电机驱动控制、电网的 无功补偿和谐波治理等领域得到广泛的应用。软开关技术的应用使功率变换器可 以具有更高的效率、更高的功率密度以及更高的可靠性，并可有效地减小电磁干 扰 ( e mi ) 和开关噪声，为在2 1 世纪大力发展绿色电力电子产品提供了有效方式 和方法。而将现代控制技术应用于功率变换器中可以大大改善系统的动态品质、 稳定性、鲁棒性等。因此，现代控制理论与软开关技术的结合应用，使得功率变 换器以更优的性能、 更快的速度扩大它的应用领域。 本文主要研究谐振软开关 d c -d c变换器的建模与非线性控制等问题。主要的工作包括以下几个方面: 由于开关元件和谐振环节的存在， 准谐振变换器是一个时变的非线性离散系 统，其电路结构复杂，难以建立一个实用的大信号模型口对于此本文提出利用电 路拓扑简化原理来建立其大信号非线性动态模型，并对该模型进行稳态性能及动 态特性分析:仿真结果表明该建模方法的有效性。 本文首次将变结构建模理论和滑模控制理论系统的引入到准谐振变换器的 建模与控制中。针对准谐振变换器有四个不同的工作模态，具有变结构、强非线 性的特点，文中利用变结构建模理论建立了其精确的大信号模型，无需做任何简 化，适合滑模控制。在设计滑模控制时，值得注意的是对应于不同工作模态下的 变结构模型，需考虑分别选择切换面函数，并根据到达条件求得控制律。 文中还详细讨论了准谐振变换器滑动模态的动态品质，分析推导出到达时间 的计算公式，并指出将最佳阻尼比作为电路参数设计的依据时，可以保证准谐振 变换器在趋近运动阶段有较短的到达时间、在滑动模态阶段有较小的超调量，从 而有良好的动态品质。 从控制角度出发，准谐振变换器是一个高阶非线性系统，在实际控制过程中 需要调频，且在控制过程中每个谐振周期内，输出电压都会存在大量的纹波。为 了调整输出电压及解决纹波问题，本文采用注入阻尼以稳定的无源性控制理论设 计状态反馈控制器:即通过注入需要的阻尼项，适当配置系统能量耗散方程中的 “ 无功力” ，迫使系统总能量跟踪预期的能量函数，使得闭环控制系统是无源的。 近年来，低输出电压和大输出电流的负载条件对开关变换器提出了要求。串 华南理工大学博十学位论文 联谐振变换器 ( s r c )以准正弦型电流波形工作，辐射功率小，控制理论较为成 熟，越来越受到行家的青睐。本文将滑模控制理论引入到全桥式串联谐振变换器 中，获得了较为理想的控制结果。值得注意的是:文中选择两种切换面函数:基 于李亚普诺夫稳定性理论的切换面函数和线性切换面函数;其中线性切换面选择 使得控制系统结构简单而且容易实现，参数的选取可以在比较大的范围内获得， 同时消除了稳态输出误差。 为了调整输出电压及解决纹波问题，本文从能量守衡的角度设计串联谐振变 换器的无源性状态反馈控制器。无源性方法可以充分利用物理系统本身的结构特 点，为李亚普诺夫函数的构造提供信息。文中在建立 e l模型基础上，利用谐波 分析法将电路模型化简成适合无源性控制的形式;其次利用 “ 注入阻尼使得系统 稳定” 的无源性控制思想和l y a p u n o v 稳定性理论来设计一个非线性控制器， 使串 联谐振变换器的动态性能和参考模型尽量保持一致，对参数变化和外界扰动不敏 感，并使稳态误差为零。 关键词:准谐振变换器;串联谐振变换器;滑模控制;无源性控制;鲁棒性 ab s t r a c l ab s t r a c t wi t h d e v e l o p m e n t o f p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , p o w e r c o n v e r t e r s h a v e b e e n u s e d w i d e l y i n s w i t c h i n g p o w e r s u p p l y , m o t o r - d r i v e n a n d c o n t r o l l e d , c o m p e n s a t e o f t r a n s m i s s i o n - l i n e s y s t e m o f e l e c t r i c p o w e r a n d h a r m o n i o u s w a v e ma n a g e . a p p l i c a t i o n o f s o f t - s w i t c h i n g ma k e s p o w e r c o n v e r t e r s h a v e m o r e e f f i c i e n c y , h i g h e r p o w e r d e n s i t y a n d s t r o n g e r r e l i a b i l i t y ; a l s o d e c r e a s e s e f f e c t i v e l y e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e a n d n o i s e p o l l u t i o n , a n d p r o v i d e s e f f e c t i v e w a y f o r p o w e r e l e c t r o n i c p r o d u c t s . mo d e r n c o n t r o l l i n g t e c h n i q u e u s e d i n p o w e r c o n v e r t e r s c a n g r e a t l y i m p r o v e s y s t e m s d y n a m i c q u a l i t y , s t a b i l i t y a n d r o b u s t n e s s e t c . t h e r e f o r e c o m b i n i n g a p p l i c a t i o n o f s o f t - s w i t c h i n g a n d c o n t r o l t h e o r i e s m a k e s p o w e r c o n v e r t e r s t o e x p a n d t h e i r u s i n g f i e l d s w i t h b e t t e r c a p a b i l i t y a n d f a s t e r s p e e d . i n t h i s p a p e r m o d e l i n g a n d c o n t r o l t e c h n i q u e o f r e s o n a n t s o f t - s w i t c h i n g c o n v e r t e r s i s a n a l y z e d a n d t h e m a i n c o n t r i b u t i o n c o n s i s t s o f a s f o l l o w i n g s : be c a u s e o f e x i s t e n c e o f q u a s i - r e s o n a n t c o n v e r t e r s a r e t i me s w i t c h i n g c o m p o n e n t s a n d r e s o n a n t s e c t o r , v a r i a b l e , n o n l i n e a r a n d d i s c r e t e s y s t e m. t h e i r c i r c u i t s t r u c t u r e a r e v e r y c o m p l e x , s o i t i s v e r y d i f f i c u l t t o b u i l d a n a p p l i e d , l a r g e - s i g n a l m o d e l . a c c o r d i n g t o t h i s q u e s t i o n , a l a r g e - s i g n a l n o n l i n e a r m o d e l o f q u a s i - r e s o n a n t c o n v e r t e r s i s e s t a b l i s h e d u s i n g s i m p l e a n a l y t i c a l t e c h n i q u e s i n p a p e r . s t a t i c q u a l i t y a n d d y n a m i c q u a l i t y i s d i s c u s s e d . s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w e f f i c i e n c y o f t h i s m o d e l i n g w a y . v a r i a b l e s t r u c t u r e m o d e l a n d s l i d i n g m o d e c o n t r o l a r e f i r s t i n j e c t e d m o d e l a n d c o n t r o l o f q u a s i - r e s o n a n t c o n v e r t e r s i n t h i s t h e s i s . b a s e d o n v a r i a b l e s t r u c t u r e c h a r a c t e r a n d p o w e r f u l n o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c o f q u a s i - r e s o n a n t c o n v e r t e r s , a l a r g e - s i g n a l n o n l i n e a r m o d e l i s e s t a b l i s h e d u s i n g v a r i a b l e s t r u c t u r e m o d e l t h e o r y i n p a p e r , i t n e e d n t a n y s i m p l i f i c a t i o n a n d b e s u i t a b l e f o r s l i d i n g m o d e c o n t r o l . mu c h m o r e a t t e n t i o n i s p a i d t o t h e r e s p e c t i v e l y c h o o s i n g o f s w i t c h i n g f u n c t i o n s ( x ) c o r r e s p o n d i n g w i t h v a r i a b l e s t r u c t u r e mo d e l o n d i f f e r e n t s w i t c h i n g m o d e . t h e c o n t r o l l a w o f q u a s i - r e s o n a n t c o n v e r t e r s i s o b t a i n e d a c c o r d i n g w i t h r e a c h i n g c o n d i t i o n . i i i d i s s e rt a t i o n s u b m i t t e d t o s o u t h c h i n a u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y i n t h i s t h e s i s t h e d y n a m i c q u a l i t y i n s l i d i n g m o d e i s s t u d i e d a n d t h e f o r m u l a o f r e a c h i n g t i m e i s d e r i v e d . i t s t a t e s t h a t g o o d d y n a m i c q u a l i t y c a n b e o b t a i n e d i f t h e c o m b i n a t i o n o f t h e c i r c u i t p a r a m e t e r s e q u a l s t o t h e b e s t d a m p i n g r a t i o . q u a s i - r e s o n a n t c o n v e r t e r s h a v e s h o r t r e a c h i n g t i m e d u r i n g r e a c h i n g p e r i o d a n d s m a l l o v e r s h o o t o n s l i d i n g s u r f a c e i f t h e d e s i g n c o n d i t i o n i s s a t i s f i e d . f r o m c o n t r o l p o i n t o f v i e w , q u a s i - r e s o n a n t c o n v e r t e r s a r e n o n l i n e a r s y s t e m . p f m c o n t r o l w a y i s a d o p t e d , m o r e o v e r i n o n e r e s o n a n t p e r i o d s , o u t p u t v o l t a g e h a v e a q u a n t i t y o f r i p p l e . f o r a d j u s t i n g o u t p u t v o l t a g e a n d a v o i d i n g r i p p l e , t h e p a s s i v i t y - b a s e d c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d b a s e d o n e n e r g y s h a p i n g p l u s d a m p i n g i n j e c t i o n i d e a s . t h i s i d e a s i s t h o u g h i n j e c t i n g r e q u i r e d d a m p i n g , p r o p e r l y c o n f i g u r i n g f o r c e l e s s n e s s o f e n e r g y l o s s e q u a t i o n , f o r c e d e n e r g y s h a p i n g p l u s a n d c l o s e d l o o p s y s t e m i s s t a b l e . f r o m r e c e n t y e a r s l o a d c o n d i t i o n o f l o w o u t p u t v o l t a g e a n d h i g h l o a d c u r r e n t h a s p u t f o r w a r d n e e d s t o s w i t c h i n g c o n v e r t e r s . s e r i e s r e s o n a n t c o n v e r t e r s a r e p o p u l a r b e c a u s e o f c u r r e n t s o p e r a t i n g s i n e w a v e , l o w r a d i a n t p o w e r a n d m a t u r e c o n t r o l t h e o r y . i n t h i s p a p e r , s l i d i n g m o d e c o n t r o l t h e o r y i s i n t r o d u c e d f o r s e r i e s r e s o n a n t c o n v e r t e r s . t h e i d e a l c o n t r o l e f f e c t i s o b t a i n e d . mu c h m o r e a t t e n t i o n i s p a i d t o c h o o s i n g t w o k i n d s o f s l i d i n g s u r f a c e f u n c t i o n . o n e i s 切a p u n o v s s l i d i n g s u r f a c e ; a n o t h e r i s l i n e a r s l i d i n g s u r f a c e . c h o i c e o f l i n e a r s u r f a c e m a k e s s y s t e m p o s s e s s i m p l e f r a m e a n d r e a l i z e e a s i l y . p a r a m e t e r s a r e s e l e c t e d i n v e r y l a r g e r a n g e . a t t h e s a m e t i m e s t e a d y - s t a t e e r r o r s i s e l i mi n a t e d . t o t h e q u e s t i o n o f r e g u l a t i n g t h e o u t p u t v o l t a g e a n d a v o i d i n g r i p p l e o f s e r i e s r e s o n a n t c o n v e r t e r s , s t a t e f e e d b a c k c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d w i t h c o n v e r s a t i o n o f e n e r g y . i t c a n s u p p l y i n f o r m a t i o n f o r c o n s t i t u t i o n o f l y a p u n o v f u n c t i o n , u s i n g f u l l y s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c o f p h y s i c a l s y s t e m . f i r s t e l m o d e l i n d i f f e r e n t o p e r a t i n g m o d e i s f o u n d e d , t h e n t h e p r o p e r m o d e l i s e s t a b l i s h e d u s i n g h a r m o n i o u s w a v e a n a l y t i c a l m e t h o d . s e c o n d l y t h e a d a p t i v e c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d b a s e d o n e n e r g y s h a p i n g p l u s d a m p i n g i n j e c t i o n i d e a s a n d l y a p u n o v s s t a b i l i t y t h e o r y . i t m a k e s t h a t d y n a m i c q u a l i t y o f s e r i e s r e s o n a n t c o n v e r t e r s k e e p s a c c o r d i n g w i t h d y n a m i c q u a l i t y o f r e f e r e n c e d m o d e l , a n d b e n o t s e n s i t i v e t o p a r a m e t e r s c h a n g e a n d e n v i r o n m e n t i n t e r f e r e , a l s o i t m a k e s s t e a d y - s t a t e e r r o r s i s z e r o . n abstract k e y w o r d q u a s i - r e s o n a n t c o n v e r t e r s ; s e r i e s r e s o n a n t c o n v e r t e r s ; s l i d i n g m o d e c o n t r o l ; p a s s i v i t y - b a s e d c o n t r o l ; r o b u s t n e s s ; v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作 者 签 名 : 奋 竹 r 日 期: a %7 0 4 4 乙 月a - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口， 在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密r. ( 请在以上相应方框内打 “ j 作者签名: 导师签名: 日 期:a .- 性 6 月万口 日 期:r7 m平 6月2 r 日 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 课题研究背景及意义 电力电子技术是电力电子器件、功率变换技术和自动控制技术三者结合而发 展起来的，是专门研究电能转换和控制的新学科 1 1 。电力电子学的特点是具有很 强的应用性和与其他学科的交叉融合性，这也是电力电子学的基础理论和应用技 术在短短的几十年间得以飞速发展的一个重要因素。 进入2 1 世纪， 随着新的理论、 新的器件、新的技术的不断涌现，特别是与微电子 计算机与信息)技术的日 益 融合，电力电子技术的应用领域也必将不断地得以拓展。目前，电力电子技术的 应用已从机械、石化、纺织、冶金、电力、铁路、航空航海等领域，进一步扩展 到汽车、 现代通信、 家用电器、医疗设备、 灯光照明等领域 2 , 3 1 。 像其他科学技术 一样，电力电子技术也是一柄双刃剑，它在为人类造福的同时也在破坏人类的生 存环境，而且其破坏性已达到人类难以容忍的程度。为将其危害控制在人类能够 接受的限度， 有关国际组织和部门已制定了一系列相应的标准和法规并强制执行。 这一客观事实迫使从事电力电子技术研究的专家学者在研制高性能电力电子装置 的同时，必须将环保放在一个十分重要的位置_ 匕 因此在电力电子界提出了绿色 电源的概念4 ,5 1 。 绿色的涵义本是没有污染。 未受污染的食品称为绿色食品， 未被 污染的环境称为绿色环境。绿色电源呢?绿色电源是一类既高效节能，又能与其 周围环境协调相容的电力电子装置。绿色电源包含如下内容和技术5 1 . 1 .节约能源:在保证电源的其他技术指标的性能的前提下，节约能源， 减少 因发电产生的废气、废水和废料等，达到保护环境的目的。与之相应的技 术是开关变换技术和软开关技术。 2 有效利用能源: 提高电源输入侧的功率因数， 减小无功功率和电源对电网 的谐波污染， 使电源满足相应的国家或国际标准。 与之相应的是功率因数 校正技术和谐波抑制技术。 3 .功率电磁兼容 ( e m c ) :减少电力电子装置对环境的电磁污染，提高其抗电 磁干扰的能力，使电源满足 e m c 标准。与之相应的是功率电磁兼容技术。 4 .智能化电源管理:智能化电源管理是合理利用资源、实现节省电能的一种 有效途径 。 本文旨在从节约能源的角度，针对开关变换技术和软开关技术研究小型、轻 华南理工大学博士学位论文 量、高效的谐振式高频开关电源。 现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类，前者输出质量较高的 直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。电力 电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装 置，按转换电能的种类，可分为四种类型1 1 .6 1 : ( 1 )直流一 直流 ( d c - d c )变换器， 它是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的 主要部件;( 2 )逆变器 ( d c - a c ) ，它是将一种直流电转换交流电的电能变换器， 是交流开关电源和不间断电源 ( u p s )的主要部件;( 3 )整流器 ( a c - d c ) ，它是将 一种交流电转换成直流电的电能变换器;( 4 )交交变频器，是将一种频率的交流 电直接转换为另一种恒定频率或可变频率的交流电，或是将变频交流电直接转换 为恒频交流电的电能变换器。直流开关电源是具有直流变换器且输出电压恒定或 按要求变化的直流电源，具有以下特征: 1 .电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围内或 按要求变化; 2 .输入与输出之间有好的电气隔离; 3 .可以输出单路或多路电压，各路之间有电气隔离。 直流开关电源 以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于电子计算机为主导 的各种终端设备、通讯设备等电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少 的一种电源方式。目前，直流开关电源已广泛应用于家用电子电器、各种工业电 源 ( 电焊、电解、加热、充电、超声、电机调速等) 、通信电源、计算机电源、航 空航天、交通运输、医疗和照明电源、雷达高压电源、音响和视频电源等。它是 现代电子设备重要的“ 心脏供血系统” 。 另一方面， 这种电源目前在技术上还存在 较大问题有待解决。众所周知，由于集成化技术的普及，电子设备本身已非常小 型化和多功能化，成本也在不断降低。而与此同时，一个稳定供电的电源部分却 在理论上难以实现集成化，因而跟不上电子设备本身的要求，成了硬件设备技术 上的一个致命弱点。因此，高频化、小型化、模块化和智能化己成为直流开关电 源的发展方向 7 ,8 1 目前，控制开关占空比的p w m 方式的d c - d c 变换器是一种控制性能好、使用 简便的电源方式，该方式己广泛应用于电子设备中。但开关电源中的变压器、电 抗器等磁性元件和平滑电容器等在电源体积中所占比例较大，需通过提高开关频 率使其小型化。随着开关频率的提高又会带来一系列问 题 9 1 :开关损耗增加，可 靠性下降。因此既要提高开关频率，又要降低开关损耗，就需要采用高速开关元 器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感、电容和二极管中存储电荷 的影响而产生浪涌电压或开关噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，而且还会 大大降低电源的可靠性。因此，为从变换器结构和控制上改善功率开关器件的开 第一章绪论 关性能，人们提出了软开关技术。近年来，随着对软开关 ( s o f t s w i t c h i n g )理 论的深入研究，以及软开关技术的广泛应用，使功率变换器的设计出现了革命性 的变化。软开关技术的应用使功率变换器可以具有更高的效率一一自身损耗大大 降低，更高的功率密度一一 自身体积、重量大大减小，以及更高的可靠性;并可 有效地减小电能变换装置引起的电磁污染 ( e m i )和环境污染 ( 开关噪声等) ，为 在 2 1 世纪大力发展绿色( 无公害或低公害) 电力电子产品提供了有效方式和方法。 软开关技术的诸多显著优点使其理论从一出现就显示出了蓬勃的生命力，并受到 各国专家、学者的广泛重视 5 - 1 0 软开关技术 ( 准谐振变换器)的应用解决了开关电源实现小型高效化的一系 列问题，但在实际应用中又提出了新的问题:频率固定的情况下难以直接进行电 压调整的问题;开关元件的应力问题;电感和电容的发热问题;其中电压调整问 题最难解决，因此又有学者提出将现代控制理论应用于谐振变换器。关于现代控 制技术在电力电子学 ( 以p wm型d c - d c变换器为例)中的应用，文献 川 已经 作了系统的综述性研究，并对其前景作出了展望。针对具体电力电子系统一谐振 软开关d c -d c变换器，如何建立其非线性的大信号动态模型，从而应用现代控 制技术使其具有良好的动态品质，强的鲁棒性和稳定性，这在国内外是一个前沿 的研究课题，也是本文的主要研究内容。近年来随着微电子技术的迅速发展，高 精度、 高速微处理器的出现， 使复杂的参量和系统状态实时计算或估计成为可能， 并且使现代控制理论能够应用于电力电子系统口 。 尤其现代控制理论与软开关技 术的结合应用，使得功率变换器以更优的性能、更快的速度扩大它的应用领域。 正是由于功率变换器应用的广泛性，因此研究其动态品质、稳定性、鲁棒性等具 有特别重要的意义，而利用控制论是一种非常有效的方法。因此，本文主要讨论 两种非线性控制理论 ( 变结构控制和无源性控制)在谐振式开关电源变换器中的 应用研究。该思想既可拓展控制理论的应用范围，验证理论的有效性，同时又具 实用价值一谐振式开关电源以更大的优势应用于计算机、高频通讯设备等小型、 大容量、高效的电子设备中。 ，2 软开关技术的提出及发展 控制开关占空比的 p wm方式的变换器是一种控制性能好使用简便的电源方 式。但是变压器、电感等磁性器件和平滑电容器在电源体积中所占比例较大，需 通过提高开关频率使其小型化。然而，由于半导体器件的开关损耗和开关频率成 正比，所以要防止这种损耗随高频化增大，需要采用高速开关器件。但当开关元 件一达到高速，在开关断开时，由于存在配线的电感和变压器的漏感 l ，开关元 华南理工大学博士学位论文 件 的 两 端 就 会 产 生 浪 涌 电 压 l 竺。另外，当开关导通时，由于储存在开关寄生电 容 里 的 电 荷 的 作 用 ， 浪 涌 电 流 c d id t 就 会 流 向 开 关 。 而 且 当 二 极 管 带 有 反 偏 压 时 ， 还会有由蓄积电荷产生的反向浪涌电流流通，致使在反向电流组织特性恢复时， 也会在二极管的端子和输出上产生很大的噪声。因此，对于 p wm 方式变换器高 频化运行时，要采取相应措施抑制浪涌。一般来讲采用 r c吸收回路可有效抑制 浪涌，但电阻上的损耗导致变换器的效率下降。 采用适当的电路结构并配以某种开关控制策略可同时解决开关强度、开关损 耗以及电磁干扰问题。这种方法的出发点是设法使变换器中开关元件的切换动作 在开关电压为零或开关电流为零的情况下完成。理想情况下，在开关元件切换动 作的瞬间， 开关电压和开关电流同时为零。 软开关技术就是基于该原理来实现的。 为了克服d c -d c p wm变换器和d c -a c p wm逆变器在硬开关状态下工作的 诸多问题， 8 0 年代以来软开关技术得到了深入广泛的研究并在近些年得到了迅速 发展。对于 “ 硬开关”和 “ 软开关” ，文献 1 2 的定义是:硬开关过程是通过突变 的开关过程中断电流完成能量的变换过程;而软开关过程则是通过电感和电容的 谐振，使开关器件中的电流或两端电压按正弦规律变化，当电流自然过零时，使 器件关断，当电压下降到零时，使器件导通。开关器件在零电压或零电流条件下 完成导通与关断的过程，将使器件的开关损耗理论上为零。所谓 “ 软开关”通常 是指零电 压开关z v s ( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ) 和零电 流开关z c s ( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ) . 在 d c -d c p wm 变换器设计中较早提出的软开关变换器是准谐振变换器 ( q r c s ) 1 3 1 ，因电路工作在谐振的时间只占一个开关周期的一部分，故称为准 谐振。准谐振变换器通过谐振使开关元件上的电流或电压按正弦规律变化，从而 创造出零电流或零电压开关条件，极大地减小了开关损耗和开关噪声。由于准谐 振变换器不能使电路中的有源开关和二极管同时具有软开关条件，因此之后又提 出多谐振变换器 ( m r c s ) 1 4 1 。在多谐振变换器中，由于电路中谐振拓扑和参数 不止一个，故称为多谐振。准谐振变换器和多谐振变换器电路与常规的 p wm 硬 开关变换电路相比具有许多明显的优点，如:电路的开关损耗和开关噪声大大降 低;电磁干扰 ( e mi )大大减小;变换器电路可以以更高的开关频率工作;相应 变换器的功率密度可以大大提高等。但二者也仍然存在着一些明显的不足:除了 开关器件可能承受过高的电压应力和电流应力外，准谐振变换器和多谐振变换器 电路的输出需采用调节频率的方法来控制，给实际应用带来了很多的麻烦。常规 的 p wm硬开关变换电路频率恒定，当输入电压或负变化时，通常靠调节开关的 占空比来调节输出电压，属恒频控制，控制方法简单。而对于准谐振变换器和韦 第一章绪论 谐振变换器电路，当负载和输入电压在大范围内变化时，为了实现对输出电压的 调节， 开关频率也需要大范围的变化， 这使得变压器和滤波器的设计变得很困难。 为此，在 8 0年代后期9 0年代初期许多学者专家又提出了能实现恒频控制的软开 关技术，即z c s - p w m变换器和z v s - p w m变换器 1 5 1 。 这种类型的变换器， 将准 谐振变换器与常规的 p wm 变换器相结合，通过附加的辅助有源开关阻断谐振过 程，使电路在一周期内一部分时间按 z c s或 z v s准谐振方式运行，另一部分时 间按p wm方式运行，既有软开关的特点，又具有p wm恒频占空比调节的特点。 在z c s - p wm变换器和z v s - p wm变换器中，由于工作频率恒定，电路元件参数 优化比较容易，同时控制电路比谐振控制器简单，控制和调节特性好，因此研究 这类变换器很有实际意义。但变换器电路中谐振电感串联在主功率回路中，因此 电路中总是存在着很大的环流能量，这不可避免地增加了导通损耗;另外，电感 储能与输入电压和输出负载有很大关系，这使得电路的软开关条件极大地依赖输 入电源和输出负载的变化。为了解决这些问题，零电压转换 p wm 变换电路与零 电流转换p wm变换电路 7 6 被提出。在这种类型的电路中，辅助谐振电路与主功 率开关管相并联，电路中环流能量被自 动地保持在较小的数值，且软开关条件与 输入电压和输出负载的变化无关。 在文 1 7 中对以上z c s - p wm变换器、 z v s - p wm 变换器和零电压转换 p wm 变换器从拓扑结构、开关损耗及电压电流应力等几方 面进行分析比较，结果表明 z v t -p wm 变换器性能最优。上述各种软开关变换 技术在实际的d c -d c p wm变换器的设计上正获得越来越广泛的应用， 在p e s c 年会、 i p e c等会议上都有大量的关于这个领域研究的论文发表，目前己提出多种 不同拓扑结构的谐振软开关d c -d c变换电路。比较典型的有:零电压开关或零 电流开关的正激、反激或正反激组合式变换电路，全桥移相式z v s 变换电路，全 桥移相式 z v z c s变换电路，以及采用 z v t . z c t技术的有源功率因数校正电路 1 5 - 1 8 等，所有这些应用表现出了软开关技术在d c -d c p wm变换器中的良好应 用前景。例如有源箱位 z v s -p wm 正激变换器是将软开关技术应用于单端正激 电路而产生的一种高频率、高效率、高功率密度和高可靠性的d c -d c变换器。 关于该类电路的工作原理的理论分析、有关参数的讨论、仿真与实验研究已做了 大量的工作，研究结果表明，有源籍位 z v s -p wm 正激变换器软开关工作方式 的有效实现与电路中各元件参数的选取有密切的关系，元件参数变化对变换器工 作方式产生很大的影响。这就给变换器的理论分析和实际设计带来了一个问题: 为了保证变换器工作在软开关模式，必须对有关参数的变化范围进行研究。针对 这一问题， 文献 1 8 详细分析了有源箱位 z v s -p wm正激变换器软开关工作模式 下，输出电流、开关频率、激磁电感、输出电感等参数间的相互影响，给出了该 变换器的正常工作的边界条件，对于有源箱位 z v s -p wm 正激变换器的设计起 到一定的指导作用。 在文献 1 9 1 中提出一种带有简单辅助开关的零电流开关p wm 华南理不 大学博士学位论文 反激变换电路。 该变换电路通过在原来的p wm硬开关变换器上增加辅助的线圈、 开关和小电容，使得所有开关管和二极管都在零电流条件下通断，并且无需电压 箱位电路。另外该方法还巧妙地利用反激变压器的漏抗来作为实现零电流开关的 条件。 文中以多输出的z c s p wm反激变换器拓扑电路为例作了详细的分析论述， 最后给出实验结果。 文 2 0 1 介绍一种控制策略简单的带谐振直流环节的软开关d c -d c变换器实现方案，用脉宽调制信号调制高频谐振脉冲，经全桥变换，实现 了功率变换的高频化，有利于 d c -d c变换器的小型轻量化。同时，消除了功率 器件开关过程引起的输出电压尖峰噪声，可用于高灵敏度接收设备直流电源的设 计， 最后给出了实验结果。 文 2 1 1 提出了一种新型零电压开关隔离式的双向d c - d c变换器。变换器由两个非对称半桥组成，功率传输由相移脉宽调制方式控制。 不需要任何辅助开关或无源谐振网络，变换器就可在双向变换工作中实现零电压 开关，且变换器有快的动态响应。 总之，在许多应用系统中为了解决提高开关频率带来的种种不利影响，通常 采用软开关技术。软开关技术包括:无源无损 ( 吸收网络)软开关技术，有源软 开关技术，如 z v s / z c s谐振、准谐振、恒频软开关技术 ( z v s / z c s - p wm ) ，以 及零电流、零电压转换 ( z v t / z c t - p wm)技术等。由于软开关技术可以有效地 减少开关损耗及开关应力，达到提高频率、增加可靠性的目的，因此软开关技术 是最近几年电力电子领域研究的热点之一。 1 . 3 现代控制理论在谐振变换器控制中的应用 鉴于谐振软开关变换器电路的复杂性及建模的困难性，其控制方法的研究在 国际上处于刚刚起步状态，而在国内几乎是一片空白。原因有两点12 2 1 . ( 1 ) 长期 以来缺少能便于应用于控制系统设计的大信号离散模型;( 2 )常规的控制算法对 软开关变换器的控制无法取得满意的效果，而控制的快速性又使得复杂的算法难 以实现。然而，随着现代控制理论的发展及实现方法的改进，这方面的研究工作 己取得了初步的进展。现代控制理论包括最优控制、h - 鲁棒控制、自 适应控制、 滑模变结构控制等方法; 智能控制理论包括神经网络控制、 模糊控制和专家系统。 将它们应用于谐振软开关变换器中可以改善其动态性能、稳定性和鲁棒性，这已 经引起了西方学者的兴趣，并有许多相关的论文发表。下面对这些研究成果作评 述性介绍。 1 . 3 . 1最优控制在谐振变换器中的应用 最优控制是目前现代控制理论中应用最多、最成熟的一个分支。其原理如 第一章绪论 f 2 3 1 :对系统 x ( t ) =a ( t ) x ( t ) + b ( t ) u ( t ) , 其中a ( t ) : n x n阶矩阵，b ( t ) : n x r阶矩阵。 x e r , ur 取性能指标: j 一 k x (tf ),tf + 盯 l (x (t),u (t),td t 求一允许控制u ( t ) 使系统由 初始状态x ( t o ) 出 发 在时间间 r m t a , t f 内， 到达目 标集 (d x ( t f ) , t f = o , 并 使性能指标j 为 最小。 在最 优控制中 代价函 数的 选取直接表明 了设计者的控制目的。若选时间，则为时间最优控制;若选动态性能，则为动态 性能最优;若选谐波损耗，则为谐波损耗最优控制。所以最优控制在功率电子变 换器中具有广阔的应用空间。文 2 4 针对他激式开关电源的开环特性不稳定的问 题，采用最优控制理论对其闭环特性进行校正，从而使系统的动态性能最佳。在 谐振软开关变换器中采用开关型控制会产生大量的谐波。谐波的存在使得系统效 率降低、负载发热、产生噪声及振动，所以谐