数字控制的开关功率变换器的建模、稳定性分析及其应用研究

成果名称：

数字控制的开关功率变换器的建模、稳定性分析及其应用研究

登记日期：

2020-07-20

完成单位：

华南理工大学

完成人员：

陈艳峰、廖慧、赵益波、王星、周至凯、周创彬、李林才、郑炎坤、张庆骞、丁力

研究起止日期：

2011-01-01 至2013-12-31

主要应用行业：

电力、热力、燃气及水生产和供应业

社会经济目标：

能源生产、分配合和合理利用

评价单位：

国家自然科学基金委员会

评价日期：

2014-04-25

成果简介：

1、课题来源与背景
数字控制技术具有简单可靠、易实现各种先进控制算法等优点，因而近年来数字控制技术取代传统模拟控制技术已成为开关变换器的一种发展趋势。但由于数字控制变换器系统是一类典型的模—数混合系统，除了变换器自身开关的非线性外，还受时间延迟、量化误差的影响，从而展现出较复杂的、无法解释的非线性动力学行为，使其稳定性和动态响应特性受到影响，进而了它们的进一步推广应用。本课题来源于国家自然科学基金资助项目，旨在建立这类系统的非线性数学模型，发现其潜在的混沌、分岔等非线性现象，揭示系统的非线性运行机理，并进行稳定性分析，得出系统稳定和混沌态工作的参数空间，以对实际数字控制的开关变换器系统的设计和电路参数选择提供参考。项目的基本信息如下：项目名称：数字控制的开关功率变换器的建模、稳定性分析及其应用研究；项目批准号：；执行期：2011.01~2013.12；资助金额：39 万元；
项目负责人：陈艳峰；单位：华南理工大学

2、研究目的与意义
本课题研究目标是：建立数字控制的开关功率变换器的切换非线性数学模型，发现其潜在的混沌、分岔等非线性现象，揭示系统的非线性运行机理，并进行稳定性分析，得出系统稳定和混沌态工作的参数空间；在此基础上从三个方面研究系统切换非线性的应用:(1)参数优化设计的方法；(2)数字化开关功率变换器稳定工作的切换线性控制算法及实现，并分析此算法在抑制电源EMI 水平方面的性能；(3)数字化开关功率变换器的混沌调制方案，并分析该方案抑制电源EMI 水平的机理及实现。

项目在开关变换器建模和稳定性分析方面所取得的研究成果，对揭示开关变换器的非线性运行机理，优化系统设计具有参考价值，对促进非线性电路理论及开关电源实用关键技术的发展，具有重要的理论研究意义和应用前景。

3、主要论点与论据
（1）课题以提高实用数字控制的开关功率变换器的稳定性和可靠性为导向，深入研究这类变换器的非线性运行机理和稳定性分析理论、电路参数的优化设计方法，以及抑制电源EMI 的新方案理论及应用，涉及非线性理论与电力电子技术的学科前沿；（2）课题以等效小参量符号分析法与离散z 域相结合建立数字控制系统的非线性数学模型为主要思路，理论上可行，也有可借鉴的研究成果；（3）课题组在非线性系统的动力学特性、混沌理论及模拟控制的DC-DC 开关变换器的建模、仿真与符号分析及稳定性分析等方面所取得的前期研究成果为本课题的实施奠定了基础。

4、创见与创新
项目主要对数字电流模控制的Boost 变换器和输入串联-输出并联的DC-DC 变换器的建模与稳定性分析，基于DSP 数字控制的大功率逆变器关键技术，以及高

可靠大功率LED 驱动电源的关键技术及其监控系统的设计与实现进行了较为深入的研究。主要成果有：(1)建立了数字电流模单环和双环控制的Boost 变换器闭环系统的S 域和离散Z 域数学模型。基于所建立的数学模型，通过仿真分析，发现系统存在低频振荡、分岔及混沌等复杂非线性现象，并确定电路出现分岔、混沌等现象时的临界条件。(2)对输入串联、输出并联DC-DC 变换器进行了深入的理论和仿真分析。通过对系统的建模和稳定性分析，探索了系统潜在的复杂非线性现象，并得出了系统稳定和非稳定工作的参数空间，这些结果对进一步优化电路的参数设计具有重要的参考价值。(3)针对DSP 数字控制的大功率逆变器关键技术进行了深入研究： 设计并实现了一种基于PI 调节的三相数字锁相环；完成了数字控制的UPS 并机系统的并联均流控制与三相不平衡输出电压的抑制；研究并实现了三相UPS 并机系统的同步控制，以及电源状态在线监测系统的设计。(4)基于LLC 谐振软开关变换，完成了LED 驱动电源的设计，和基于Zigbee 技术的LED 智能监控系统的设计。

5、社会经济效益、存在的问题
社会经济效益：结合本课题的研究，培养博士后１名，硕士生11 名，在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文10 篇，被SCI 收录1 篇，EI 收录4 篇。

存在的问题：对于实际的电源产品而言，课题所取得的某些研究成果在理论和技术上还不够成熟；并且对于较小功率电源产品而言，其应用还受成本，因而有待进一步研究和完善。