开关功率变换器的大信号稳定控制策略研究

Large signal variations of external input and internal reference to switching power converter will change the static operating point. As a result, the applicability of the premise of quasi-steady state to the linear controller synthesis can be handicapped. In addition, the single operating point-based linear control can not assure the system stability and control performance in the global operating region. Therefore, the proposal tries to study the negative effect of operating point to the system and the applicability of quasi-steady state to engineering practice based upon the two kinds of averaged models, i.e., the dynamic and the quasi-steady state models of the operating point. The study will provide with the theoretic basis of the design-oriented analysis for the switching converters in varying operating point conditions. Specifically, the large signal stable control strategies, including the quasi-steady state model-based region adaptive control to the multi-operating points, digital-based adaptive tuning control, and large signal Lyapunov control for dealing with the operating point variations will be explored. The controller parameters are to be optimized by combing the dynamic analysis of linear models with the convergence analysis of energy functions. Also, the stability evaluation methods will be constructed, which aims to the improvements of system performance. In summary, the research work will serve as the theoretic support and technical solutions for the varying operating point switching power converters.

外部输入和内在参考大信号变化会造成开关功率变换器系统的稳态工作点改变，由此会破坏准稳态假设的适用性，造成线性控制设计的局限性，目前关于工作点波动对系统的负面影响和准稳态假设适用范围尚无明确研究定论。此外，基于单工作点设计的线性控制亦无法保证全工作点区间内系统的稳定性和控制性能。为此，本项目拟基于工作点动、准稳态关系的两类系统平均模型，研究工作点对系统的负面影响和准稳态假设的工程化适用条件，为变工作点开关变换器的工程化分析与设计提供理论支持；重点探索适应于工作点波动的大信号稳定控制策略,包括基于准稳态线性模型的多工作点区域自适应控制、基于数字技术的参数自调整控制和大信号Lyapunov模式控制，综合线性模型的动态分析和能量函数的收敛性分析以优化控制参数；建立系统的稳定性评估方法，并以此探索改善策略。研究工作将为变工作点开关功率变换器的分析与设计提供理论支撑及技术解决方案。

外部输入和内在参考大信号变化会造成开关功率变换器系统的稳态工作点改变，由此会破坏准稳态假设的适用性，造成线性控制设计的局限性。此外，基于单工作点设计的线性控制亦无法保证全工作点区间内系统的稳定性和控制性能。为此，本项目就准稳态假设的工程化适用条件，平均意义层面的大信号稳定控制策略，以及非平均意义的不稳定行为抑制策略三方面展开研究。具体完成的研究工作和取得的研究成果归结如下：（i）从量化角度探讨了准稳态线性化模型的适用性，以DC-DC变换器为例，基于小信号动态模型给出了准稳态线性化模型的适用条件，进一步引入三维波特图法分析和优化了控制补偿环节；该工作为准稳态思想的工程应用提供一定的理论指导。（ii）在大信号稳定控制策略研究方面，提出了三项式Lyapunov非线性控制策略，进一步从优化电压电流内外环设计角度，提出了电流纹波补偿的Lyapunov非线性控制策略，显著地提升了系统的动态响应及稳态精度；基于虚拟坐标变换的稳态工作点构建，引入电流重构技术，提出了交流变换器系统的Lyapunov控制策略；探索了区域自适应的多点线性控制技术，着重探讨了切换控制本身的非侵入式设计问题；本部分研究工作为变工作点开关功率变换器的稳定性设计提供控制技术解决方案。（iii）在非平均意义上不稳定行为抑制层面，提出动态补偿稳定控制技术，解决了Boost PFC变换器的快变不稳定和电流过零畸变问题；在变换器的动稳态性能提升新技术方面，提出了基于电流纹波补偿的动稳态性能提升技术和基于辅助并联电感切换的动态性能提升技术；本部分研究工作为大信号稳定控制提供了可行的技术完善途径。