- 頭條含有右半平面零點的開關DC-DC變換器暫態性能分析及頻域法設計2021-04-07 作者：皇金鋒 李林鴻 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語含有右半平面零點（RHPZ）的開關DC-DC變換器發生占空比突變時，暫態過程會出現負調現象，該現象會導致系統暫態性能變差，負調持續時間段系統易形成正反饋而出現不穩定現象，傳統的頻域法無法直接進行控制器設計，因此對其進行控制較最小相位系統困難的多。 陜西理工大學電氣工程學院、陜西省工業自動化重點實驗室、西安科技大學電氣與控制工程學院的研究人員皇金鋒、李林鴻、謝鋒、張鵬超、劉樹林，在2020年第10期《電工技術學報》上撰文，以含有RHPZ的Buck-Boost變換器為例，建立負調電壓暫態數學模型，推導出衡量負調電壓性能的表達式，依據該表達式與變換器參數之間的關系，給出抑制負調電壓的參數設計方法。根據負調電壓抑制后的系統暫態性能特點，并結合含有RHPZ開關DC-DC變換器電路拓撲的特點，提出限制占空比和頻域法相結合的控制策略。實驗結果表明，該控制策略具有良好的暫態和穩態性能。
近年來，隨著能源危機的日益突出，光伏和燃料電池等新能源技術成為當今的研究熱點。在這些系統中，需要可以實現升壓或降壓功能的開關DC-DC變換器，其中，Buck變換器及其衍生拓撲是最小相位系統，而Boost、Buck-Boost、Cuk、Zeta、Sepic及其衍生拓撲都是非最小相位系統，表現為控制變量到輸出電壓的暫態數學模型含有右半平面零點（Right Half Plane Zero, RHPZ）。
RHPZ會導致這類變換器在占空比增大（或減小）時，輸出電壓出現先減小（增大）而后增大（減小）的暫態過程，稱為負調現象。負調現象會導致系統暫態過渡過程時間延長，在負調持續的時間段內，控制器會接收到錯誤的反饋信號而形成正反饋系統，從而導致系統不穩定。正是由于RHPZ的存在，含有RHPZ的開關DC-DC變換器的控制較最小相位系統困難得多，因此，尋求一種簡單有效的控制策略成為亟待解決的關鍵問題。
很多研究人員對含有RHPZ的開關DC-DC變換器的控制進行了深入研究，目前已有的研究成果主要體現在兩個方面：①采用傳統的PI、PID等控制器進行控制；②利用非線性控制策略進行控制，包括滑模變結構控制、無源控制、自適應控制、模糊控制等。
經典控制理論中的頻域法設計僅適用于最小相位系統，具有非最小相位特性的開關DC-DC變換器由于RHPZ的存在，導致傳統的頻域法不能直接應用，進而無法用幅值裕度和相位裕度對設計的控制器效果進行衡量。傳統的PI、PID控制器僅根據控制變量的誤差，通過動態調節變換器的占空比，實現對輸出電壓或其他變量的控制，控制效果較差，無法獲得良好的暫態和穩態性能。
由于RHPZ的存在，導致常規的非線性控制策略如滑模變結構、無源控制、自適應控制等都無法直接應用，控制器設計變得復雜。分析含有RHPZ的開關DC-DC變換器暫態數學模型可知，RHPZ與變換器設計參數有關。因此，陜西理工大學電氣工程學院等單位的研究人員提出從變換器參數優化設計角度來抑制負調電壓，這樣就可以在變換器設計階段有效地完成負調電壓抑制，從而提高系統暫態性能。
研究人員分析了含有RHPZ非隔離式開關DC-DC變換器電路拓撲的共同特征，以含有RHPZ的Buck- Boost變換器為例，建立負調電壓暫態數學模型，根據該模型推導出衡量負調電壓暫態性能的指標，依據該指標與變換器參數之間的關系，給出了負調電壓抑制的參數優化設計方法，根據負調電壓抑制的結果提出限制占空比和頻域法相結合的控制器設計思路，使得設計的控制器可利用幅值裕度和相位裕度對其控制效果進行衡量，最后對設計的控制器進行了實驗驗證。
研究人員得到如下結論：
1）含有RHPZ的非隔離式開關DC-DC變換器的電源輸入端具有相同的電路拓撲特征，考慮到系統運行的安全性，需要限制最大占空比。
2）含有RHPZ的開關DC-DC變換器通過對參數優化設計可以有效地抑制負調電壓，從而提高系統暫態性能。
3）含有RHPZ的開關DC-DC變換器中，限制最大占空比可以有效抑制由于占空比太大而引起的負調電壓現象，同時可以解決由于RHPZ的存在而導致的系統不穩定性現象。
4）通過對含有RHPZ的開關DC-DC變換器負調電壓有效抑制，提高了系統的暫態性能，變換器暫態數學模型可忽略RHPZ，系統近似為最小相位系統，可采用頻域法進行控制器設計，從而利用幅值裕度和相位裕度對控制器設計效果進行衡量，克服了控制器設計的盲目性，保證系統具有良好的暫態和穩態性能。提出的負調電壓抑制和控制器設計方法對其他含有PHRZ的電力電子變換器設計具有指導意義。
以上研究成果發表在2020年第10期《電工技術學報》，論文標題為“含有右半平面零點的開關DC-DC變換器暫態性能分析及頻域法設計”，作者為皇金鋒、李林鴻、謝鋒、張鵬超、劉樹林。
