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第1章
介绍
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- 介绍
开关电源广泛用于计算机，通信设备，医疗电子设备和航空航天电力系统。 一般来说，开关电源可以分为两类[1]：
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- 开关模式直流电源
- 开关模式的交流电源。
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在现代世界中，开关模式电源在我们的日常生活中是不可或缺的。 例如，在个人计算机中，首先对交流电压进行整流和滤波，然后使用直流 - 直流转换器将直流电压转换为5伏，并且
plusmn;12伏电源为集成电路提供电源。 在医院中，如果紧急手术正在进行时发生电源故障，不间断电源（由电池供电的直流 - 交流逆变器）将为医疗电子设备瞬时供电 - 无需任何电源：
应用的激增对开关电源的设计产生了巨大的影响。 趋势是朝着高质量，高性能，低成本和最小化
..
尺寸。 因此，已经开展了深入的研究和调查来满足这些需求
挑战。
本文提出了一些新技术来改善开关电源的性能。 在下一节中，将回顾目前的PWM DC-DC转换器技术，并解决其局限性。 第1.3节概述了目前使用的PWM DC-AC逆变器的问题。 目前使用的AC-DC转换器的功率因数校正技术得到了评估，其优点和缺点在第1.4节中概述。 在本章的最后，介绍了论文的目标和概要。
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- PWM DC-DC转换技术
在本节中，将审查PWM DC-DC转换技术。 它们的优点和缺点已得到解决。
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- 基本的PWM DC-DC转换器
-
开关模式直流电源的核心是直流到直流转换器。 常用的PWM DC-DC转换器是Buck，Boost，Buck-Boost和Cuk转换器。
图1.1显示了Buck转换器的拓扑结构及其典型波形。 当晶体管导通时，电源电压加在二极管上，vd（t）= Vr。 当晶体管关闭时，电感电流流过二极管，Vd（t）= 0
稳态输出电压是Vd（t）的平均值，可以很容易地找到;
t
Vo= .2T... Vs= DVs
s
(1.1)
其中D是稳态占空比，定义为：
(1.2)
其中ton是晶体管的导通时间，Ts是开关周期。 公式（1.1）显示输出电压可以通过调制占空比来控制。
Vs
D R
C
(a)
Vd #39;#39;
0
吨 Ts
----
t
|
Vo |
Vs |
|||
|
------ |
------- |
------ |
---- |
|
(b)
图1.1降压转换器：（a）电路图和（b）波形。
图1.2给出了另外三种常用的DC-DC转换器，即Boost，Buck-Boost和Cuk转换器[1,2]。
- (b)
(c)
图1.2三个其他常用PWM DC-DC转换器：
- 升压转换器，（b）降压 - 升压转换器，（c）Cuk转换器。
它们的输出电压也由占空比来调节，可以表示为：
促进： 1
V=-V
-
- 1- s
(1.3)
降压 - 升压型： D
1-
V=-V
-
- s
(1.4).
D V=-V
丘克：
-
- 升-DS
(1.5)
其中Dis由式（1.2）定义的稳态占空比。
-
-
- 直接占空比控制
-
为了保持输出电压恒定，并在电源电压或负载电流发生变化时减小其瞬时跌落或过冲，闭环工作是必不可少的。 DC-DC转换器有两种常用的反馈控制。 一种是直接占空比控制，如图1.3所示。 另一个是当前mod; 控制将在下一小节讨论。
Vst
t
0
t.,,.
T.
t
|
DC-TO-DC转换器 |
|||
|
v. |
|||
v. v.
v., v.
v.
d（t）的
-
-
-
- (b)
-
-
图1.3直接占空比控制的框图和波形。
直接占空比控制是单回路控制。 反馈的输出电压与参考电压进行比较。 误差电压被放大并与锯齿波信号进行比较，以产生所需占空比的栅极驱动信号。 直接占空比控制的实施很简单。 不幸的是，它有很长的响应时间，很难进行补偿[2,4,5]。
-
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- Cu“入模式控制
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开发了电流模式控制[S-15]以改善开关模式直流电源的性能。
t------r---a- Vo
调节器
|
DC-TO-DC转换器 |
||
|
d。（t）的 |
||
|
当前模式 |
||
v,. bull;
图1.4电流模式控制的框图。
s
在电流模式控制中，电感电流h（t）反馈并编程为跟随参考电流信号i *。 当输出电压回路闭合时，参考电流信号i *是输出电压和参考电压之间的放大误差，如图1.4所示。 结果，输出电压被间接控制。 与直接占空比控制相比，极限模式控制提供了卓越的性能。 输出电压对电源电压干扰不敏感。 更重要的是，由于电感电流的控制，电流模式控制可以提供自动电流保护，并且在多个电源转换器模块并联时使负载电流分配变得容易[6,7]。 出于这个原因，电流模式控制目前非常流行。
在过去的二十年中，对电流模式控制进行了大量的研究[5-15]，针对直流 - 直流转换器提出了多种电流模式控制方案，其中，峰值电流模式控制和平均电流模式控制是最流行的技术，在峰值电流模式控制中，如图1.5 [6-10]所示，电感电流h（t）与电流控制信号i *相比较，主动开关当电感电流h（t）达到i *的值时，有源开关关断，电感电流下降，有效开关在下次开关时再次导通这个过程重复，在这个策略中，电感电流h（t）由电流控制信号i *控制，它设定了h（t）的峰值，正如它的名字所暗示的那样。关闭，输出电压误差
放大器将成为电流控制信号，i *。 该方案的一个显着缺点是当占空比大于二分之一时，其固有的不稳定性[7,8]。 bull;系统
控制
不稳定导致亚硝酸盐振荡。 需要人工稳定斜坡来解决这个问题。 另外，由于感测瞬时电流，该方案极易受噪声影响。 当感应和控制峰值电感电流时，一个周期内电感电流的平均值无法用其峰值精确表示。 因此峰值电流模式控制不适用于某些直流 - 直流转换应用，如电池充电，平均电流质量是主要关注的问题[14]。
Q i, L Vo iltJ
·*
#39;I, (t)
T ,.. .,
d I I L
Vs C 0
D
。I..j D
I A
I
d（t）的
i.
/1/1/1 bull; t,,,. TS
RAMP
COt.4P阿拉伯人 补偿
- (b)
图1S峰值电流模式控制：（a）电路图和（b）波形。
在平均电流模式控制[13,14]中，如图1.6所示，感应电流“感应并被馈入一个双极点，一个零点的补偿网络，然后平均并补偿电感电流。结果，使电感器电流跟随电流控制信号;●其优于峰值电流模式控制的优点是：（1）
因为平均电流得到控制，所以对开关噪声具有良好的抗扰性 （2）稳定性
bull;
消除了峰值电流模式控制所必需的斜坡。 但是，那
-
它支付的价格是当前的控制系统变得越来越复杂。 两极，
一零，网络难以分析和综合。 此外，这种控制系统在某些工作条件下会出现分谐振荡问题[13]。
Q i, L Vo
T
r- -,
d
I I L
Vs plusmn; D C 0
I A
I
D
I I
I.. - ..J
补偿
PWM 网络
#39;二
i*
图1.6平均电流模式控制。
从上面的讨论可以看出，PWM DC-DC转换器需要/更好的控制方法。 这将在本论文中讨论。
1.3 开关模式DC-AC逆变器
诸如不间断电源和电话振铃发生器之类的开关模式AC电源用于关键和敏感设备，例如计算机，电信设备和生命支持系统。 所以表现不错
高质量是强制性的。 为了满足需求，各种拓扑和控制
bull;
计划已经演变。
JJJ 直流到交流逆变器拓扑结构
开关式交流电源的主要部分是直流 - 交流逆变器。 传统上，开关模式DC-AC逆变器采用桥配置。 通过使用PWM开关技术，输入电压转换成电桥输出端的高频脉冲波形。 通过滤波器，该高频脉冲电压被平滑成正弦波形[16-25]，如图1.7所示。
b
(a)
桥
INVERTER
a
v, Vo
b
v..., v...,
F1LTER
数字。 I.7传统桥式 - 逆变器：（a）电桥输出端的高频率脉冲波形;（b）带滤波器的正弦电压。
最近开发出了采用DC-DC转换器拓扑的开关模式DC-AC逆变器[26-32]。 这种类型的逆变器的操作原理是非常简单的
在图1.8（a）中，DC-DC转换器具有Buck转换器配置。 该Buck变换器的平均输出电压v0（t）是数据比d（t）和
输入电压Vs，即vJ.t）= d（t）-Vs。 如果占空比d相对于D变化缓慢
开关频率，以完全整流的正弦波的形式，输出vo（t）自然会是完全整流的正弦波。 通过与d的完全整流波形同步的桥式电路输出; v0（t）被“展开”成正弦波形vac（t），如图1.8（b）所
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