开关纹波交互作用下负载变换器的稳定性机理

张希; 陆大辉; 金立强; 闫冠宇; 包伯成

工程科学与技术 ›› 2025, Vol. 57 ›› Issue (02) : 256 -266.

张希, 陆大辉, 金立强, 闫冠宇, 包伯成

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摘要

在级联功率变换器中，源变换器与负载变换器之间的开关纹波交互可重塑公共耦合点处的电压纹波。当输出电容等效串联电阻（ESR）较大时，源变换器的输出电压纹波对负载变换器的稳定性具有显著的影响。为了揭示开关纹波交互作用对负载变换器稳定性的影响，本文以级联的谷值电压（VVR）控制Buck变换器为例，通过动力学建模和稳定性分析等方法来阐述负载变换器的稳定性机理。首先，分析了源变换器与负载变换器公共耦合点处电压纹波的特性，利用分岔图展示了负载变换器随源变换器和负载变换器电感值变化时的动力学行为。然后，明确了级联VVR控制Buck变换器在一个开关周期内的3种开关状态序列，建立了相应的近似离散映射模型，并推导了不动点邻域内的Jacobi矩阵及其特征根；通过监测Jacobi矩阵的特征根随源变换器和负载变换器电感值变化的运动轨迹，明晰了开关纹波交互作用下负载变换器的失稳机理。特征根分析结果表明，增大源变换器的电感值可以提高负载变换器的稳定性，而增大负载变换器的电感值将降低负载变换器的稳定性。最后，搭建了级联VVR控制Buck变换器的实验样机，结合理论分析给出了相应的电路仿真结果和实验结果。电路仿真结果和实验结果验证了理论分析的正确性。