燃料电池电源系统滤波器设计论文翻译

输入滤波器的相互作用在级联BUCK变换器中的分析摘要开关模式中DC/DC转换器的许多应用需要高转换率（），因此鼓励使INOUTV/用N级级联系统。但是，如果将输入滤波器加在现已存在的级联转换器的“黑匣子”中，就会由于转换器负的动态输入电阻特性引起系统不稳定和效果不佳。在此设计中，我们研究了输入滤波器在级联BUCK转换器中的相互作用。这个问题是这样解决的，通过在变换器中使用一个小信号平均模型，其中电路中元件的自然寄生电阻也会考虑在内。在系统开环传递函数的基础上，提出了输入滤波器阻尼大小的设计标准，来确保滤波转换系统的稳定性，使之不高于或不低于此滤波器的工作指标。这篇文章的理论结果被实验论证。关键词输入滤波器的相互作用，级联DC/DC转换器，控制回路稳定性，小信号平均模型。I简介低电压和高电流应用中高转换率的需要，导致了级联转换器的发展。较高的转换比率尤其在现代大型计算机、航空和电信设备中需要，这里输入的总线电压（通常48V）必须在负载转换器的帮助下降低到很低的水平。一种满足这个要求的可能解决方案是使用带有变压器（孤立变换器）的DCDC转换器。但是，变压器的使用会导致大的开关浪涌，可能会损坏开关装置。此外，变压器的使用限制了变换器的开关频率。一种实现大的直流转换功率的替代方法是变换器的级联。该方案主要采用由N级基本转换器组成的多级级联系统。通常，为了满足EMI/EMC的要求，应该在DC/DC转换器的输入端使用一个EMI滤波器。但是，一个可能精心设计的滤波器，当和一个开关变换器连接时，在最糟糕的情况下，会连接它的反馈控制回路，从而导致系统不稳定。这种相互作用最初是由米德尔布鲁克在1970年提出，用来解释一个独立的变换器，同时提出对这个问题的修正方案。为了研究相互关联子系统中稳定性的问题，以前出版的分析大多数都是基于最小环增益，被定义为输入子系统的输出阻抗和负载子系统的输入阻抗的比率。此外，广泛的研究和讨论已经在带纯阻性负载的滤波转换器相互作用中展开；然而，负载是活跃的的或者另一种相似的转换器这些情况并没有引起大的关注。在这篇论文中，我们使用了完整系统的开环控制到输出的传递函数来分析带有另外BUCK转换器的BUCK转换器的输入滤波器的相互作用。它表明，该级联系统闭环稳定性可通过削弱输入滤波器的动态特性来保证。在这个设计中，级联BUCK转换器的稳定性情况，是通过可定量分析的所需要的阻尼值的上下限来获得的。一个经典的PWM电压模型控制被用于级联转换器中。其中，每一级都有相同的频率，开关控制也是同步的。这种控制方法同样适用于低电压和高电流的应用中。本文以下部分设计如下在接下来的部分中，首先一个广义的小信号线性模型在基于平均模拟技术N级BUCK级联系统中提出，它的开环传递函数随之产生。转换器的滤波器的传递函数的极点效应在第III部分中分析，稳定性的情况分析在接下来的部分中会提到。最后，实验结果将会在第V分中得出。II级联BUCK转换器的建模一个带有LC输入滤波器的由N个基本BUCK转换电路组成的级联系统的简化原理图如图1所示图1带输入滤波器的N级BUCK转换器级联系统A非线性模型图1所示的N个BUCK转换电路组成的级联系统中，一个连续低频的模型是通过对各个状态写状态方程得到的，这些状态是从它的平均电路模型获得的。将以下面的形式写出这里，这个状态矢量的长度是2（N1），是输入电压E，是输出电压，N是级联数，TETY0V是2型的矩阵，和都是长度为2（N1）的矢量，它们的表UA1NUBC示如下式这里，是第K级占空比，的值为零。在上述表示是等效损耗电阻的第K级，UUDKR这里考虑如下这里，和是开关和二极管各自在第K级的电阻值。上述代表的是非线性矩阵ASKRD取决于控制信号U（T）。B线性模型上述非线性模型进行线性化是通过分解所有的状态变量，输入，输出和分成两部分的控制信号来完成的。第一部分是由大写字母表示的面值，第二部分是由“”表示的与面值的偏差。因此XT,ET和YT可表示如下TUK代（3）进入表达式（1）假设偏差足够小，非线性和二阶项可以忽略不计，它导致了小信号线性模型的形式如下这里是一个包括输入ET和输出信号UT的长度为（N1）的向量。在这个线性模型中，A和B各自都是的常12N数矩阵。这个小信号线性模型的矩阵A，B和向量C可表示如下这里对于一般性的（5），我们为所有下列用语定义和。为了简化分0CFV0LFI析，我们假设然后以下关系存在于稳态值和输入电压E中0,VICKL从（6）和（7）中可以看出，稳定状态下输出电压值可以表示为如果输入电压的偏差不理想时，B相应的列就会消除。当相同的开关信号UT在每一级都使用时，VTUT,矩阵B进一步减少到一个列向量。C开环传递函数为了方便级联转换器输入滤波器过滤效果的分析评价，我们把研究限制在两个转换级（即N2）。通过采取拉普拉斯变换（4），并利用两个阶段的控制信号U相同的名义，开环控制到输出的传递函数可以从上面的小信号模型得到，如下式所示这里，KE/M，M定义为GS里和的系数取决于转换器系列和传导模式。对于2级在连续导通模式的降KAB压转换器这些系数被发现如下III转换器传递功能的滤波器极点效应图2显示了带和不带输入滤波器的二级BUCK转换器的的传递函数G（S）的波特图，图中包含有幅值和相位。这个模拟电路使用的参数设置为CFC1C21F,LF10MH,L11MH,L201MH,R33,U05,05ANDR1R2075LFR图2的连续线条显示了没有输入滤波器的级联BUCK转换器的G（S）幅值和相位图。可以看出，在各自的共振频率下，转换器级1和级2动态响应引起的相移分别为360和180，从而导致其累积接近540的更高相移频率。因此，如果回路带宽接近或超过了截止频率F1或F2，即使没有输入滤波存在，级联转换器中一个右侧零点也可引起系统不稳定。然而，在其输入端加入LC滤波器后，在这个滤波器的共振频率时，会引起附加FF360的相位偏移，正如图2中虚线所示。如果调节器反馈回路交叉频率接近或超过这个输入滤波器的谐振频率（通常是在实践中的情况），然后回路相位裕度会变成负值，并可能导致系统不稳定。它证明了当加入一个二级输入滤波器时，给G（S）引入了一个额外的复极点和一个复杂的右半平面零点。这些右侧零点是引起闭环系统不稳定的原因，从而引起直流电路的振荡。从图2中还可以得出一个结论，该电路的内部损失不足以抵消这些振荡。因此除了内部自然消耗，我们还需要加一些阻尼。下一部分将介绍如何在滤波电路中加入适当的阻尼来将G（S）右半平面的零点转移到左半平面，从而避免了闭环系统的不稳定性。图2波特图IV输入滤波器的阻尼A实际阻尼电路在一些实际应用中，可能只有输入滤波器寄生电阻足以提供所需的阻尼，以避免转换电路中的振荡。但是，如果L和C这些天然抗性是不够的，然后外部电阻必须添加到过滤器，以确保稳定。但由于这些电阻中巨大的功率消耗，在滤波电路中任意添加阻尼电阻是不切实际的。一个阻尼输入滤波器实用的解决方案如图3所示。一个隔直流电容器系列中添加了阻尼电阻。由于没有理想直流电流通过，其直DRDR流功率损耗因此降低。隔直流电容器的值可以表示成K，和相比选择的很CDFC大，从而在滤波器的共振频率时，支路的阻抗是由电阻决定的。DDRB稳定性条件在本节我们的目标是在不多于或少于级联系统要求级时，制定如图3所示的阻尼电路的设计步骤。图3首先，我们注意到滤波电路中加入的支路增加了使G（S）分子和分母都加了DCR1，我们计这个新的传递函数为G（S）。其相应的系数的分子多项式可表示如下KA这里，是由（9）给出的G（S）的分子系数。现在，通过应用ROUTHHURWITZKA判据到分子多项式为G（S）的条件，可以推导出它的根（即G（S）的零点）移动到S平面的左边，因此我们得到以下四个不等式其中，都是常数，可以用以下给出的电路参数来表示KKDCBA,图4通过完成（11）的四项条件，从而保证该信号GS零点的实部为负。这些不等式可以让我们在转换器操作中判定稳定和不稳定的边界。为了找到和K所有可能的范围，DR认为这些不等式都是成立的，在设置好其它参数的情况下（图4），将和K所有情况都绘制出来。然后这个平面每个区域内相应情况是真是假就可以鉴定。最后符合条件的区域相交错的部分就是同时满足上述四个条件的区域，从而保证G（S）所有的零点都在平面的左半平面。图4中实线部分是稳定运行的平常区域。小信号稳定是确保所有点都包含在这个区域中。但是，为了避免输入滤波器只有360的相移，另外一些大的区域可以定义为平面上与输入滤波器的动态特性有关的移动到左半平面的那些零点。这部分大的区域在图4中用细线表示。这个图形中各参数的值设置如下C1C21F,CF047F,LF4MH,L1L208MH,R33，U05请注意，内部损失在稳定的条件（11）下是忽略了的，因此在稳定区域图4所示给出了对阻尼电阻必须有一个理想的转换器，以保证闭环稳定目前总价值的上限和下限。然而，在实践中至少有一部分必要的阻尼电阻是由内部电路的自然损耗产生的。在进行实验证明时这些内部损耗将被考虑在内。有一个不错的阻尼输入滤波器的级联BUCK转换电路的波特图模拟如图5所示，使用图4相同的电路参数，阻尼参数从图4的稳定区域中选择。K10，RD35图5图6V实验认证带有输入滤波器的2级BUCK级联转换器的实验模型与图4仿真图有相同的电路参数，这是为了来验证（11）的情况。转换器设置的参数为VIN48V,VO12VU1U205，FS112KHZ对于这些参数值和K10，设计方程（11）给出了最小的阻尼电阻，必须添加一个无损耗的转换器（这个的值可以直接从图4中K10对应找出）728DRDR。然而，在我们的测试电路中测得的电阻值大约是RLF075,R1R215,RCFRC1RC2005，CD47F，ESR225在我们的测试电路中615的电阻通过寄生电阻自然成为的一部分，因此实际上只需要外部插入225的电阻。DR图6外加的值使两个电容电压和有不同的值。首先在电路中只插入2的电阻，DRCFV1这时观察到电路是不稳定的，因为当和的频率同输入滤波器和第一级转换器各自CV的共振频率相等时，它们是振荡的。这种振荡在包括所有输出级的所有转换级中的振荡是可以观察到的。此外，我们甚至可以听到一个重要声音频率的噪音，因为这些频率在可听频率范围内。接下来，我们将电阻值增加到225这个小的增量。当225的电阻插入电路中时，当两个测量电压趋于稳定时，其值分别为48V和24V，从而消除了音频噪声以及图6（A）和（B）中当电阻从2到225时电压和各自的过渡噪音。CF