桥式功率开关变换器快尺度振荡分析方法研究与应用

The bridge switching converter is the most widely used topology in high-power converters. With the continuous improvement of the power density, high working frequency and large current are becoming the inevitable trends. In this situation, the fast-scale oscillation of the system has gradually become the important issue of the converter's stability and reliability. Especially in the more complicated bridge converter, it is lack of effective analytical methods and cases now. This project will be based on the basis of existing research, and systematically study the analysis method for fast-scale oscillations in the bridge power switching converters. Firstly, the study starts from the nonlinear key devices of the bridge converter, and combined with the practical applications of the power supply and DC motor drive systems. The extraction methods of important system small parasitic elements will be studied, and a system-level nonlinear modeling method will be proposed. Then, the mathematical problem of the nonlinear model solutions and their transformation between time domain and frequency domain will be researched. Combined with the bifurcation and chaos or other theory, in-depth study of all types of fast-scale oscillations' generation mechanism will be analyzed and summarized. Finally, the nature of the fast-scale oscillations in bridge converters can be known well in theory. Some suppression methods will be proposed and verified in the real prototypes.

桥式开关变换器是中大功率变换器中应用最为广泛的一种结构。随着功率密度的不断提高，高频及大电流成为必然的发展趋势。在这个过程中，系统的快尺度振荡逐渐成为影响变换器稳定性及可靠性的重要问题。尤其在比较复杂的桥式变换器中，目前国际上还缺乏有效的分析方法及案例。本课题将在已有的研究基础上，系统地研究面向桥式功率开关变换器的快尺度振荡分析方法。首先从桥式变换器的非线性关键器件入手，结合电源及直流电机驱动器等实际应用系统，研究系统中关键小寄生参数的提取方法，得到一种系统级非线性建模方法。然后研究非线性模型求解在时域及频域转化的数学问题，并结合分叉与混沌等理论，深入研究各类快尺度振荡现象，对其产生机理进行分析与归纳。最终能够从理论上认识桥式变换器系统中快尺度振荡现象的本质，提出抑制方法，并在实际系统中验证。

桥式功率开关变换器包括半桥与全桥电源、逆变器、功率放大器、电机驱动器等，在中大功率变换器中应用最为广泛。近些年随着开关器件性能的快速提高，变换器的高频大电流化趋势更加明显，伴随而来的系统快尺度振荡问题逐渐显现，且严重影响变换器的性能及可靠性。本项目围绕桥式变换器中的快尺度振荡问题，开展研究，并取得相关成果。.（1）研究了桥式功率开关变换器快尺度振荡的时域及频域非线性建模方法。在频域方面，研究了一种高频环路建模方法，该方法在状态空间平均模型的基础上，引入边频效应的量化，可准确反映变换器1/2开关频率处的高频频率特性，应用于实际电路样机中得到了有效验证。在时域形成了基于微分方程组的通用推导方法，具有解析解，并可采用数值方法分析敏感参数及判断稳定性。.（2）对关键开关器件的关键参数进行了提取与系统建模。主要有功率二极管，功率MOS管、IGBT、SiC MOS管等，研究了这些器件基本结构及关键寄生电容、电感与电阻等对系统快尺度振荡贡献较大的参数。.（3）对变换器板级及磁性元件的关键微小寄生参数进行了提取与建模。主要有变压器、电感、板级走线等。.（4）综合器件与板级等模型，建立了半桥电源、移相全桥电源、同步整流Buck电源及开关磁阻电机驱动器等系统模型，可重现部分系统快尺度振荡现象，并分析了关键参数变化对系统振荡的影响。.（5）基于理论分析，得到一系列快尺度振荡抑制方法，并在实际样机中得到验证。在200W谐振半桥变换器中，计算了最优死区时间，大幅减小寄生振荡，开关损耗降低25%。在1500W移相全桥变换器中，分析了输出二极管和地线高频振荡的产生原因，加入RC吸收电路，并对超前与滞后臂的布局进行优化，减小振荡峰值50%以上，整体效率提高0.5%-1%。在同步整流Buck变换器中，分析了动态调节时所产生的高频振荡尖峰，采用环路参数补偿消除了该振荡；在PDP显示驱动系统上，分析了IGBT桥式驱动电路的振荡产生机理，通过优化设计降低振荡尖峰60%；在1500W开关磁阻电机驱动器中，分析了MOS管开关振荡对采样电路的影响，通过布板及控制的优化，消除了该振荡干扰，使电流采样精度达到5%以内。.本项目超额完成了立项指标，累计发表SCI论文9篇；参加境外国际学术会议3人次；申请中国发明专利8项，其中授权中国发明专利4项；协助培养博士研究生5名、硕士研究生4名。