摘 要

随着电力电子技术的不断发展和电力电子装置的不断完善，级联系统的稳定性日益成为一个重要的研究课题。源变换器输出阻抗和负载变换器输入阻抗的大小关系使得级联系统产生稳定性问题，而级联系统的不稳定表现在DC-link母线电压的不稳定上，这时就需要设计电路模块来提高DC-link母线的稳定性。

本文以输入滤波器和buck变换器所组成的级联系统为研究对象，利用有源阻尼的方法来解决DC-link的不稳定性问题。首先通过自动控制原理分析了造成系统不稳定的原因，随后分析了采用并联电解电容的无源阻尼法时对系统稳定性的作用，指出了电解电容的寿命问题及可靠性问题。最后提出了有源阻尼的方法，通过引入有源阻尼模块，相当于给DC-link母线上并联一个虚拟电阻，来阻尼直流母线上的电压振荡，从而提高系统的稳定性。

本文设计了输出功率为100W的闭环buck变换器、满足国际EMI标准的输入滤波器以及有源阻尼电路，利用MATLAB软件中的Simulink仿真平台搭建了系统模型，并进行仿真。通过对比加入有源阻尼电路前后的波形，得出了有源阻尼模块能够有效地提高DC-link的稳定性的结论。最后基于DSP搭建出实物系统。

关键词：级联系统；DC-link；稳定性；有源阻尼

Abstract

With the development of power electronics and the improvement of power electronic devices, the stability of cascaded systems has increasingly become an important research topic. The relationship between the output impedance of the source converter and the input impedance of the load converter makes the cascade system stable, and the instability of the cascaded system is shown in the instability of the DC-link bus voltage. At this time, the circuit module is needed to improve the stability of the DC-link bus.

In this paper, a cascade system consisting of an input filter and a buck converter is used as the object of study. The problem of DC-link instability is solved by active damping. First, the cause of the system instability is analyzed by the principle of automatic control. Then the influence of the electrolytic capacitor as compensation module on the stability of the system is analyzed, and the problem of the life and reliability of the electrolytic capacitor is pointed out. In the end, a method of active damping is proposed. By introducing an active damping module, a virtual resistor is paralleled to the DC-link bus to damp the voltage oscillation on the DC bus, thus improving the stability of the system.

This paper designs a closed loop buck converter with a power of 100W, an input filter satisfying the international EMI standard and an active damping circuit, and a system model is built by using the Simulink toolbox in MATLAB software. By comparing the waveforms before and after adding active damping circuit, it is concluded that the active damping module can effectively improve the stability of DC-link. Finally, the physical system is built on the basis of DSP

Key Words：cascaded systems；DC-link；stability；active damping

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.1.1 课题背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 研究目标及内容 2

第2章 级联系统的不稳定性 4

2.1 不稳定原因分析 4

2.2 有源阻尼方法的提出 7

2.3 本章小结 7

第3章 级联系统的设计 8

3.1 buck变换器的设计 8

3.1.1 buck变换器的工作原理 8

3.1.2 buck变换器的设计 9

3.2 满足国际EMI标准的滤波器设计 12

3.2.1 国际EMI标准 12

3.2.2 输入滤波器的设计 13

3.3 有源阻尼模块的设计 15

3.3.1 主电路和驱动电路设计 15

3.3.2控制方法设计 16

3.3.3 采样电路设计 16

3.4 本章小结 18

第4章 系统的MATLAB仿真与样机研制 19

4.1 仿真软件简介 19

4.2 系统的仿真 19

4.3 样机的研制 23

4.4 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 课题展望 25

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 课题背景

随着电力电子技术作用日益突出，人们对电力电子产品的需求也在不断增加。但是，开发周期长，效率低，限制了电力电子产品的成本降低和可靠性。因此，电力电子系统的集成已成为解决上述问题的主要方法^[1]。DC-DC变换器具有高可靠性，易于实现模块化的优点，正在被广泛应用于电力电子集成系统。虽然其优势明显，但它同时存在稳定性问题。有时，独立的电源子模块可以稳定运行，但在级联后整个系统的性能会下降甚至不稳定^[2]。

由负载变换器的高效率以及理想的调节功能带来的影响给级联系统造成了稳定性隐患。此时，需要研究带有DC/DC 变换器的级联系统的稳定性，以确保集成后的稳定运行。在 DC/DC 变换器系统中，系统的稳定性是一个重要的研究内容。对于整个系统，即使保证每个标准模块能够稳定可靠地运行，由于模块之间复杂的交互作用，系统仍可能不稳定。因此，只有从设计的角度提前分析级联系统的稳定性，才能有效消除系统潜在的不稳定因素，确保设计系统稳定运行。

1.1.2 研究意义

电力电子装置的开关转换器输入侧通常会加入输入滤波器^[3]。该滤波器会抑制输入电流中的开关谐波，当输入电压出现突变时，输入滤波器可以有效改善DC-Link电压的瞬态过程，从而提高系统的可靠性。但是，当使用无源阻尼输入滤波器时，由于输入滤波器和后级变换器系统的阻抗的综合影响，可能会导致DC-Link不稳定。有源阻尼的方法通过改变系统控制器结构，从而改变系统结构，有效地解决了输入滤波器和DC-DC变换器的综合作用给系统带来的不稳定性问题，而且不増加系统的任何额外功耗，同时易于理解、容易实现，可以广泛应用。

在理论分析和建模仿真得到与预期结论一致的基础上，设计出系统的硬件电路，控制部分采用DSP模块实现软件控制，制作出一套完整的电力电子装置实验系统。通过仿真验证，本文将揭示一种有源阻尼法应用于稳定性较差的级联系统的工作机理，对有源阻尼法在电力电子领域中的应用提供一些有价值的经验。

1.2 研究现状

在级联系统稳定性问题刚刚引起研究者们的重视后，最初解决不稳定问题的方法是无源阻尼法，即在级联系统的DC-link母线电容上并联电解电容。这种方法虽然可以暂时的减弱DC-link母线上电压的振荡，但随着时间的推移，电解电容的寿命会大大缩短以至于失效，使得级联系统再次不稳定。于是研究者们开始探索更为可靠的方法来解决DC-link的不稳定问题，与无源阻尼法相对应的有源阻尼法被研究者们提出来。

有源阻尼方法又可以称作虚拟电阻法，一般应用于闭环控制的反馈环节中，在电路拓扑结构中相当于给直流母线上串联一个虚拟电阻，或在直流母线的端口上并联一个虚拟电阻，从而阻尼掉DC-link母线上较大的电压振荡^[4]。

Pekik Argo Dahono提出一种应用在三相整流电路中的有源阻尼方法，通过给电感串联或者电容并联一个虚拟电阻，以达到阻尼输入滤波器带来的震荡的目的，并且该方法不产生功率损耗，不会降低系统的效率^[5]。

随后，Dahono P,Bahar Y,SatoY和Kataoka T等人提出一种基于电容电流反馈的有源阻尼法，应用在逆变器中。并且对比了无源阻尼法和有源阻尼法，结果显示该种有源阻尼法可以达到无源阻尼法的效果，但没有功率损耗^[6]。之后，学术界学者通过对并网逆变器进行建模，分析了反馈电容电流对系统振荡的影响，提出电容电流有源阻尼方法的控制策略，并给出了有源阻尼参数的设计 ^[7]。

在2009年，Rahimi A.M.，Emadi A等人对DC/DC变换器进行建模分析，提出一种基于虚拟阻抗控制的有源阻尼方法，把电感上串联的电阻替换成该种虚拟阻抗，并且应用于Buck变换器中，结果证明所提的方法是正确的^[8]。

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