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控制与算法 ★ 5.0

基于功率开关导通时间估计的非线性电感SMPS准恒定导通时间控制

A Quasi-Constant On-Time Control for SMPS With a Nonlinear Inductor Based on Power Switch Conduction Time Estimation

作者
期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics
出版日期 2025年1月
技术分类 控制与算法
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 开关模式电源 控制方法 非线性电感 导通时间 饱和电流
语言:

中文摘要

本文提出了一种针对配备非线性电感的开关模式电源的控制方法;该方法基于对功率开关导通时间($T_{{\textsc {on}}}$)的估计。根据电感模型调整$T_{{\textsc {on}}}$的值,以实现准恒定导通时间控制。该方法专为铁氧体磁芯功率电感而设计,充分利用了电感直至饱和的非线性特性,在饱和状态下,微分电感降至其最大值的一半。这种方法允许计算导通时间$T_{{\textsc {on}}}$,使得电感的最大电流始终对应于饱和值,同时还考虑了电感温度。该方法通过适当的电感模型和针对给定电感温度的递归算法,得出电流峰值与$T_{{\textsc {on}}}$的关系。通过在升压转换器上进行理论分析,将不同负载下的仿真结果与实验数据进行对比,验证了该理论分析,结果表明,在避免热失控的情况下,工作电流可提高约 40%。

English Abstract

This article proposes a control method for switching-mode power supplies equipped with nonlinear inductors; the method is based on the estimation of the conduction time ( T_ {on} ) of the power switch. The T_ {on} value is tuned according to the inductor model to obtain quasi-constant on-time control. The method is devised for ferrite core power inductor, the nonlinearity is exploited up to saturation, condition where the differential inductance is reduced to half of its maximum value. This approach allows the calculation of the conduction time T_ {on} such that the maximum current of the inductor always corresponds to the saturation value while also considering the inductor temperature. This method obtains the current peak versus T_ {on} through a proper inductor model and a recursive algorithm for a given inductor temperature. The theoretical analysis was verified on a boost converter by comparing the simulations with experimental data with different loads, showing that the operating current can be increased by approximately 40% avoiding thermal runaway.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于非线性电感的准恒定导通时间控制技术具有显著的应用价值。该技术通过精确估算功率开关导通时间并动态调整,使电感工作在饱和边缘状态,可将工作电流提升约40%而不引发热失控,这对我司光伏逆变器和储能变流器的功率密度提升具有直接意义。

在光伏逆变器领域,DC-DC升压电路是关键环节,该技术能够在相同电感体积下显著提升功率处理能力,或在保持功率等级不变时缩减磁性元件尺寸。这对于我司追求高功率密度的组串式逆变器和户用储能产品极具吸引力,可直接降低系统成本并提升市场竞争力。特别是在储能系统的双向DC-DC变换器中,该技术对温度的自适应补偿特性能够增强系统在复杂环境下的可靠性。

从技术成熟度评估,该方法基于铁氧体磁芯电感的非线性建模和递归算法,理论框架完整且已有实验验证。但产业化应用仍面临挑战:首先,电感参数的精确建模需要大量测试数据支撑,对供应链管理提出更高要求;其次,在饱和边缘工作虽提升效率,但对EMI特性和长期可靠性的影响需深入评估;再者,算法的实时计算复杂度能否满足高频开关应用尚需验证。

建议我司技术团队关注该技术方向,可考虑在新一代高功率密度产品中开展预研。若能结合我司在磁集成技术和数字控制方面的积累,有望在保持系统可靠性前提下实现成本与性能的双重突破,巩固在新能源变换器领域的技术领先地位。