级联功率变换器因具有高效率、高功率密度等优点,被广泛应用于可再生能源发电系统、新能源交通工具、航空航天器中。在级联功率变换器中,源变换器和负载变换器之间存在的开关纹波交互作用可诱发母线电压产生多周期或混沌振荡。这不仅会影响源级变换器的稳定性,也会影响负载端变换器的稳定性。为了探究开关纹波交互作用的稳定性效应,本文深入研究了开关纹波交互作用下源变换器和负载变换器的稳定性机理。
首先,以峰值电压纹波(peak voltage ripple,PVR)控制Buck变换器级联具有连续输入电流纹波的负载变换器为例,研究前馈电流纹波对源变换器稳定性的影响。根据电路理论中的替代定理,负载变换器可用其输入电流等效替代以降低系统建模阶数。然而,输入电流往往是分段非光滑的,这使得级联功率变换器建模过程较为复杂。针对该问题,本文提出了输入电流纹波的等效建模方法,即将输入电流纹波用其傅里叶级数的基波分量对其进行等效替代。基于该等效替代,利用分岔图展示了源变换器随参考电压、基波分量幅值和相位等关键电路参数变化的动力学行为;建立了源变换器的降阶离散映射模型,推导了其在不动点邻域内的Jacobi矩阵,并通过监测Jacobi矩阵的特征根运动轨迹阐明开关纹波交互作用下源变换器的稳定性机理。进一步,评估了基于等效替代的稳定性预测的所带来的误差。
其次,以级联的谷值电压纹波(valley voltage ripple,VVR)控制Buck变换器为例,研究源变换器输出电压纹波对负载变换器的稳定性影响。当源变换器输出电容等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)较大时,开关纹波交互作用显著影响负载变换器的稳定性。利用分岔图展示了负载变换器随源变换器和负载变换器电感值变化的动力学行为。进一步,建立了级联VVR控制Buck变换器的近似离散映射模型,并推导了其Jacobi矩阵,通过观测特征根运动轨迹,演绎了开关纹波交互作用下负载变换器的失稳机理。电路仿真结果验证了理论分析的正确性。
最后,搭建了PVR控制Buck变换器接等效电流负载和级联VVR控制Buck变换器的硬件实验电路,实验结果验证了电路仿真结果的正确性。
开关变换器的级联广泛应用于新能源汽车、计算机、航空航天的供电系统中。在级联开关变换器中,源变换器的稳定性不仅受到自身参数设计的影响,还受到与之级联的负载变换器工作状态的影响。负载变换器的输入电流纹波前馈到源变换器,将重塑源变换器的输出电容电流和输出电压纹波,从而导致源变换器的稳定性发生显著变化。为研究负载变换器前馈电流纹波对源变换器稳定性的影响,本文以基于定频纹波控制的级联开关变换器为研究对象,深入研究其动力学特性和稳定性机理。首先,研究负载变换器前馈不连续电流纹波时对源变换器的稳定性影响。以由两个峰值电压纹波控制（Peak Voltage Ripple,PVR）的Buck变换器组成的级联开关变换器为例。通过描述由负载变换器前馈电流纹波引起的三种开关状态序列,建立了级联开关变换器的离散时间映射模型。基于该映射模型,阐述了源变换器随电路参数变化的失稳机理,并在电路参数平面上给出了划分稳定区域和不稳定区域的失稳边界。进一步,将研究扩展至由两个比例积分（Proportional Integral,PI）控制Buck变换器构成的级联开关变换器。结果表明,负载变换器前馈电流纹波导致级联开关变换器中源变换器的稳定性性机理与其独立运行时的稳定性机理完全不同。最后的仿真分析验证了理论的正确性。其次,研究负载变换器前馈连续电流纹波时对源变换器的稳定性影响。以PVR控制Buck变换器级联峰值电流模式（Peak Current Mode,PCM）控制Boost变换器为例进行研究。通过分岔图揭示了负载变换器前馈连续电流纹波时源变换器的动力学行为。接着,建立了PVR控制Buck变换器级联PCM控制Boost变换器具有三种开关状态序列的离散映射模型,并推导了其在不动点邻域内的Jacobi矩阵;通过监测Jacobi矩阵的特征根轨迹明晰了源变换器随所选电路参数变化而变化的失稳机理。结果表明,负载变换器前馈断续电流纹波时与前馈连续电流纹波时对源变换器的稳定性会产生不同的影响。最后,搭建了两个PVR控制Buck变换器构成的级联开关变换器和PVR控制Buck变换器级联PCM控制Boost变换器的实验样机,进行了有关的硬件电路实验,通过硬件实验证明了理论分析和电路仿真分析的正确性。
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