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数字DC-DC变换器动态性能和系统稳定性提高方法研究

佟强  
【摘要】:航天器中载荷设备的性能在不断提高,对供电电源品质的要求也越来越高。目前使用的模拟电源技术已不能很好地满足其要求,主要表现在两个方面:首先是传统的拓扑结构无法满足新型用电设备的需求。目前航天用DC-DC模块多采用正激、反激或者推挽拓扑,这些拓扑不具备多路精确稳压输出能力,也不适合低压大电流应用。它们的反馈方式为光耦反馈或磁反馈,光耦器件可靠性差,容易受环境干扰。磁反馈电路复杂,带宽较低;其次,模拟电源控制芯片功能单一,不具备通讯、监测和电源管理功能,容易受环境影响产生参数漂移,造成不稳定工作甚至损坏。可见,电源已经成为制约航天器平台发展的瓶颈。 本文研究目标首先就是从拓扑结构和控制器两方面对现有的航天器DC-DC电源技术进行改进,使其满足未来航天器系统发展的需求。本文采用具有中间母线的两级拓扑结构,前级采用开环工作的推挽拓扑,后级采用多个同步Buck拓扑实现多路精确稳压输出。每路同步Buck在后级独立闭环调节,避免了由隔离反馈器件带来的问题,因此这种拓扑结构适合多路精确输出,并且还具备低压大电流输出的能力。此拓扑结构优化、效率高,适用于大部分航天器中小功率电源。本文采用一款自主研发的数字电源控制芯片完成对此拓扑的控制,以三路输出电源为例研制了一款满足航天器指标要求的数字控制电源模块,为后续研究提供了验证平台。 数字电源芯片通常都不具备大电流驱动能力,无法直接驱动功率开关。本文对传统的变压器隔离驱动电路进行改进,提高了驱动电路的响应速度。此驱动电路解决了传统变压器驱动电路存在的缺陷,在输入PWM信号占空比快速变化时仍能进行准确跟踪,为实现数字电源控制的准确性和快速性提供保障。 研究了多相Buck拓扑参数和相位数的优化设计方法,建立了相位数和输入输出电流纹波的对应关系。基于此方法,采用数字电源芯片完成对多相Buck拓扑的控制,并在稳态性能和动态性能两方面与传统的单相Buck拓扑进行对比。 为了提高数字DC-DC电源的动态响应能力,在数字控制器的基础上加入模拟补偿电路构成数模混合补偿器,显著提升了电源系统控制环路的相角裕量,达到高阶补偿器的补偿效果,满足高速负载点电源的需求。 对阻抗负载下电源环路特性进行预估,分析了大容量电容组的电容量和等效串联电阻(ESR)对电源环路特性的影响,给出了量化的计算方法。在变换器输出端并联大容量电容组的情况下重新设计补偿器使电源达到较好的性能。 采用理论分析和实验结合的方法对Buck型DC-DC变换器输出阻抗的小信号模型、影响因素及优化设计方法进行研究,为制定分布式电源系统中变换器的阻抗标准提供了参考依据。本文给出了一种实用的电流扰动测试法可以测量变换器的输入、输出阻抗以及级联变换器的阻抗比。采用此方法对本文搭建的一个级联式DC-DC变换器系统的输入输出阻抗以及阻抗比进行测量,并根据阻抗比禁止区对系统的稳定性进行判断。


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