直流分布式电源系统阻抗准则外文翻译资料

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IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 17, NO. 2, MARCH 2002

Impedance Specifications for Stable DC Distributed Power Systems（直流分布式电源系统阻抗准则）

Xiaogang Feng, Senior Member, IEEE, Jinjun Liu, Member, IEEE, and Fred C. Lee, Fellow, IEEE

摘要——在直流分布式电源系统中，单个功率模块或子系统之间的相互作用可能导致整个系统的不稳定。小信号来说,系统级的稳定性取决于阻抗比。在这里为源或者子系统的输出阻抗,为负载或者子系统输入阻抗。因此,用一个有效的方法来防止系统不稳定就是为模块或者子系统定义阻抗准则。本文简要总结了现有的工作,介绍了在于定义一个阻抗准则方面的贡献在S平面上一种新的阻抗比禁止区/被提出用来保证系统稳定。基于这个禁止区，个别负载的阻抗准则建立。此外，这是一个非常实用的检验方法，检查是否系统的稳定裕度在要求的禁区是满足的。

关键词——分布式电源系统，阻抗，小信号稳定性，系统稳定性。

I. 引言

分

布式电源系统(DPS)是由小功率模块/子系统组成,如图1中所示，通常这些小模块/子系统都是单独设计的。每个模块/子系统设计仅基于独立操作时的稳定性要求。因此,系统集成后,子系统之间的相互作用可能导致系统性能下降,甚至不稳定[1],[5],[8]。一个典型的例子是系统不稳定造成的负电阻负载(-R)。负载的负电阻特性是由负载的闭环控制产生的。只要一个负电阻负载是由一个理想电压源(非常低的输出阻抗)供电,该系统是稳定的。然而,在情况下,闭环控制的负载是由一个不理想的源驱动,源的输出阻抗大于-R，整个系统可能会变得不稳定。

为了评估小信号系统的稳定性,Middlebrook于1976年提出了阻抗匹配的原则。如图1所示,源—负载的输出和输入阻抗界面。这个阻抗比/可视为一个系统环路增益(小的环路增益[5])。

Manuscript received September 3, 1999; revised November 12, 2001. This work was supported by the MURI Program, Office of Naval Research and ERC Shared Facilities, National Science Foundation, under Award EEC-9731677. Recommended by Associate Editor M. E. Elbuluk.

X. Feng is with Power Management Product-Line, Analog Devices, Inc., San Jose, CA 95134 USA (e-mail: gangfeng@ieee.org).

J. Liu and F. C. Lee are with the Center for Power Electronics Systems, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA 24061 USA (e-mail: jjliu@vpec.vt.edu; fclee@vt.edu).

Publisher Item Identifier S 0885-8993(02)02255-X.

图 1. 典型的直流分布式电源系统.

根据奈奎斯特判据,小信号系统的稳定性可由/曲线是否在S平面环绕 (- 1,0)点,见图2。

图 2. 阻抗准则

与相比于普通的大规模的系统稳定性分析工具,阻抗匹配准则有很大的优势。它是基于整个系统的输入/输出阻抗进行分析,而代替了对于单个子系统的详细内在属性的分析。因此,保证系统稳定性的工作可以分为两个层次:系统级和组件级别。在系统层面,阻抗要求每个子系统可以定义基于系统稳定性的要求。在组件级别,子系统的输入/输出阻抗必须满足系统稳定性的要求。

为满足系统稳定性，在定义阻抗匹配原则上进行了很多的工作。在[1]中, 为系统稳定裕度要求，禁止区的概念被提出。因此, 基于禁止区的阻抗匹配在整个负荷子系统被定义[1],[2],[8]。然而,在[1]和[2]中介绍了很难为每个单独的负载阻抗中引入相同的禁止区。实施禁止区的另一个难度在于系统稳定裕度的测量。为了检查系统是否环路增益/稳定裕度是否满足定义的禁止区,需要测量和的相位以及幅度信息。计算系统的环路增益/也是复杂的[3]。

为了克服这些困难,本文提出了另一种可替代的禁止区。每个负载的阻抗判据是基于禁止区定义的一个更简单的在线测量方法是用来检查系统是否环路增益满足可替代禁止区定义的稳定裕度。

II. 现有工作阻抗准则

根据阻抗判据，源/负载在直流分布式电源系统中的相互作用决定于环路增益。因此,定义阻抗准则的目的是为了防止源/负载子系统的环路增益在S平面环绕(-1,0)点。

1. Middlebrook的设计指南

Middlebrook开关型变换器的设计准则及其输入滤波器[5]可以视为最早定义阻抗准则的工作。为了防止转换器及其输入滤波器之间的相互作用,它提出了在所有频率的范围滤波器的输出阻抗应远小于输入阻抗转换器,也就是说, .

如果遵从上面的设计准则,不仅小信号系统的稳定性可以保证,而且可以得到变换器及其输入滤波器之间的动态解耦。

1. 禁止区概念和负载阻抗准则

然而,在许多直流分布式电源系统, 在所有频率范围要求||||是不切实际的,因为这将要求设计非常保守和昂贵[1],[4].

为了改善这个阻抗准则,提出了禁止区的概念[1],[2]用以满足系统的稳定裕度要求。如图3所示,这可以被描述为禁止区。

通过保持在禁止区以外，小信号系统的稳定性可以保证具有6dB的增益裕度和的相角裕量。此外,它可以防止直流总线性能的降低,以及保持系统稳定条件[1]。

图 3. 现有禁止区

图 4. 现有的整个负载阻抗规格

进一步说,考虑到源子系统的输出阻抗已知,图3中的禁止区可以根据负载阻抗准则转化为。如图4所示,在||大于|| 6dB的频率范围内对ang;没有限制)。然而,ang;在||小于|| 6dB的频率范围内应该保持在有效区域。

因此,只要负载子系统的输入阻抗满足这个准则,则系统环路增益/就不会进入如图3所示的禁止区，因此可以保证小信号系统的稳定性。

与MiddlebrookMiddlebrook的设计准则相比较,该负载阻抗准则不太保守。在和之间的相位差小于时允许＞ [6],[7]。

该负载阻抗准则实际上一个结合整个负载子系统的输入阻抗的准则,如图1所示。用于应用的目的，理想的是独立地确定各个负载阻抗规格为。然而, 难以基于如图3所示禁止区建立期望的单独负载阻抗准则。

III. 替代禁止区独立负载阻抗准则

为了克服定义独立负载阻抗准则的困难, 提出了用于系统环路增益/的替代禁止区，如图5所示。提出了地区被描述为

, (2)

图5. /备用禁止区

图6. 个别禁止区/

类似于在图3中现有的禁止区,它可以防止/环绕(- 1,0)点，同时具有6 dB的增量裕度和的相角裕量。

基于在图5中提出的禁止区，在以下“流下”方法中建立单独的负载阻抗准则。如图1所示,源模块适用于n个负载。源和每个负载的功率电平被定义为，，，hellip;，。

通常,有以下关系:

hellip; , (3)

根据每个负载的功率，每个单独系统环路增益/的个别禁止区是通过-1/2垂直线(见图5)定义的,在图6所示中被描述为

(k=1,2,hellip;，n)， (4)

鉴于是已知的,可以将图6中每个负载的阻抗准则需满足

(5)

其中，

. (6)

结论1:所提出的单独负载准则是充分条件，使得系统环路增益/拥有如图5所示禁止区限定的稳定性裕度。总之（4）是（2）的一个充分条件。

结论(1)给出的证明如下。

如果n个负载中每个连接到直流总线均满足单独负载准则，如图7,每个单独的系统环路增益/ (k=1,2,hellip; / (k=1,2,hellip;，n)不进入其单独的禁区，在图7中,那么(4)就是有效的。

如图1所示, 整个负载阻抗和每个并联负载的单独负载阻抗hellip;,之间的关系由下式给出hellip;, 。

由于(7)得

根据(4)和(8),有以下关系:

(9)

考虑到(3)和(9),很明显,(2)是有效的。

根据结论1,如果每个负载的输入阻抗满足提出的独立负荷准则。

图8 建议的方法来检查系统的稳定裕度

系统环路增益/将具有图5中定义的稳定裕度。

IV. 稳定裕度测量

一旦禁止区被定义作为系统稳定性的要求,需要测量系统环路增益/以检查在系统设计和系统操作中是否满足该要求。

在图3中现有的禁止区,测量系统的环路增益是一个相当复杂的过程。源和负载的阻抗模块和需要被记录下来。然后可以通过计算系统环路增益/检查稳定裕度。根据图5中提出禁止区,可以建立一个相对简单的测量方法,如下所示。

如图8所示，如图8所示，当系统处于工作点的稳定状态时，外部小信号正弦扰动电流被注入到直流总线中，并且仅测量负载侧的小信号响应电流。

结论2:如果源-负载系统拥有所需的稳定裕度,也就是说,其系统环路增益保持在图5中定义的禁止区域之外。则以下不等式（10）在整个频率范围内有效，反之亦然

||＜||. (10)

为了简便起见,结论2的证明在附录中提供。图9给出了图解说明结论2。如果在整个频率范围内,总是小于。如图9（a）所示，则系统环路增益将保持在禁止区之外，如图9中的虚线所示。图9（b），表示所需的稳定裕量。否则，如果在某些频率范围内大于 ，如图9(a)中的实线所示。那么相应的，如图9(b)中的实线所示，/切入禁止区域，表示不满足稳定裕量。

为了说明提出这个的稳定裕度测量方法，在48V直流DPS上进行实验。 如图10所示，测试系统包括作为源模块的PFC（功率因数校正）整流器（1.5kw，Vicor公司的“PFC最小值”）和dc/dc转换器（100w，48V/5V，Vicor公司的“第二代Micro系列”）作为负载模块。

源-负载系统的环路增益见图11。/与所定义的禁止区域充分分离，指示48V直流总线具有足够的稳定裕度。

图9. 检验系统稳定裕度

图10. 测试48 V分布式电源系统的系统环路增益裕度

图11. 测试48 V DPS的稳定裕度

图12. 建议的测量表明有足够的稳定性裕度

所提出的稳定裕度测量只需使用阻抗分析仪（HP4194A）即可实现。如图10所示，来自HP4194A的频率扫描扰动信号通过隔离变压器注入直流总线。HP4194A的测试探头测量负载电流，而HP4194A的参考探头测量扰动电流。通过其“传递函数测量”功能，HP4194A自动给出||/||测量结果。图12所示,在整个测量频率范围, ||/||＜0dB，表明||＜||。根据结论2，系统环路增益/与提出的禁止区很好地分离。这满足图11所示的稳定裕度。

这是一种非常实用的测量方法，用于检查直流总线上的系统稳定裕度。对于低功耗直流分布式电源系统，可以使用阻抗分析仪或网络分析仪进行测量。在注入小信号扰动电流之后，只需要测量两个电流信号的幅度（扰动电流和负载侧响应电流），以进行稳定性边界检查[9] - [15]。

结论

总结了先

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