編輯推薦

　　《高頻開關變換器的數字控製》一書聚焦於高頻開關變換器的分析、建模和數字控製環路設計。本書圍繞功率變換器展開敘述，旨在讓讀者理解功率變換器，分析功率變換器，能對功率變換器進行建模，並進行設計及實現數字環路控製。本書覆蓋瞭係統級傳遞函數至實際工程實現的全過程。本書提供瞭理論和實際例程。後續部分還廣泛采用瞭Matlab仿真並提供仿真例程。
　　本書的特點如下：
　　1)功率變換器的數字控製理論；
　　2)Verilog和VHDL代碼；
　　3)數字補償器設計實例。
　　《高頻開關變換器的數字控製》全麵覆蓋瞭數字控製的理論和實際設計，並且關注瞭基礎和前沿熱點問題。

內容簡介

　　《高頻開關變換器的數字控製》全麵地介紹瞭開關功率變換器的數字控製。 第1章簡介瞭開關變換器連續時間域經典的平均狀態建模方法。第2章介紹瞭數字控製的基本結構。第3章介紹瞭開關變換器離散域直接建模的方法並得到z域的小信號動態模型。在此基礎上，第4章介紹瞭如何直接設計數字補償器。第5章介紹瞭模/數(A/D)轉換器的幅度量化誤差和數字脈衝寬度調製器（DPWM）。第6章介紹瞭數字補償器的實現。後,第7章介紹瞭整定技術。
　　《高頻開關變換器的數字控製》可為從事電力電子或數字控製的相關研究和應用的工程技術人員提供參考，也可作為高等院校相關專業學生的研究生教材使用。

作者簡介

　　Luca Corradini博士，意大利帕多瓦大學電氣工程副教授。Corradini博士作為閤著者發錶瞭超過50篇的期刊和會議論文。
　　
　　Dragan Maksimovi?博士，美國科羅拉多大學波爾得分校Charles V. Schelke講席教授，科羅拉多電力電子研究中心（CoPEC）主任。
　　
　　Paolo Mattavelli博士，意大利帕多瓦大學電氣工程教授。Mattavelli博士的主要研究領域為功率變換器的分析、建模和控製。
　　
　　Regan Zane博士，美國猶他州立大學電氣與計算機工程教授。Zane博士因在節能照明係統方麵所做的工作於2004年獲得美國國傢科學基金會職業成就奬（NSF Career Award）。
　　

目錄

譯者序
原書前言
導論1
第1章DC-DC變換器的連續平均建模9
1.1PWM變換器9
1.2變換器的穩態11
1.2.1升壓變換器舉例12
1.2.2開關紋波估計13
1.2.3基本變換器的電壓轉換比14
1.3變換器的動態和控製15
1.3.1變換器的平均和綫性化16
1.3.2脈衝寬度調製器的建模18
1.3.3係統環路增益19
1.3.4基本變換器的平均小信號建模20
1.4狀態空間平均法21
1.4.1變換器的靜態工作點21
1.4.2平均小信號狀態方程模型22
1.4.3升壓變換器舉例23
1.5設計實例24
1.5.1電壓模式控製的同步降壓變換器25
1.5.2平均電流模式控製的升壓變換器32
1.6占空比d［k］和d(t)36
1.7要點總結37
第2章數字控製環路38
2.1實例學習：電壓模式的數字控製38
2.2A/D轉換39
2.2.1抽樣速率39
2.2.2幅值量化42
2.3A/D轉換數字補償器43
2.4數字PWM（DPWM）46
2.5環路中的延遲48
2.5.1控製延遲48
2.5.2調製延遲49
2.5.3整個環路延遲51
2.6數字控製設計中使用平均模型52
2.6.1平均模型的局限性52
2.6.2數字控製的變換器的平均模型54
2.7要點總結57
第3章離散時間建模58
3.1離散時間小信號建模58
3.1.1入門實例：開關電感60
3.1.2一般情況63
3.1.3用於PWM的基本類型的離散時間模型64
3.2離散時間模型實例66
3.2.1同步降壓變換器66
3.2.2升壓變換器72
3.3時不變拓撲的離散時間建模76
3.3.1離散時間建模的等價性78
3.3.2與修正Z變換的關係80
3.3.3Tu(z)的計算80
3.3.4降壓變換器實例83
3.4基本Matlab的變換器的離散時間建模83
3.5要點總結87
第4章數字控製88
4.1係統級補償器的設計88
4.1.1采用雙綫性變換法直接設計89
4.1.2在z域和p域的數字PID補償器91
4.2設計例程94
4.2.1電壓控製模式時同步降壓變換器的數字控製94
4.2.2電流控製模式時升壓變換器的數字控製100
4.2.3多環控製模式時同步降壓變換器的數字控製102
4.2.4升壓功率因數校正器105
4.3變換器的其他傳遞函數117
4.4驅動器飽和與積分抗飽和措施120
4.5要點總結124
第5章幅值量化126
5.1係統量化126
5.1.1A/D轉換器127
5.1.2DPWM量化128
5.2穩態時的解129
5.3無極限環的條件131
5.3.1DPWM與A/D分辨率132
5.3.2積分增益134
5.3.3動態量化效應136
5.4DPWM和A/D轉換器實現技術137
5.4.1DPWM硬件實現技術137
5.4.2通過Σ-Δ調製有效改進DPWM的分辨率141
5.4.3A/D轉換器142
5.5要點總結143
第6章補償器的實現144
6.1PID補償器的實現146
6.2係數的縮放和量化148
6.2.1係數的縮放149
6.2.2係數的量化151
6.3電壓控製模式實例：係數量化153
6.3.1並聯結構154
6.3.2直接結構156
6.3.3級聯結構157
6.4定點控製器的實現161
6.4.1有效的動態範圍和硬件的動態範圍162
6.4.2信號的上限和L1範數163
6.5電壓控製模式實例：定點實現164
6.5.1並聯實現166
6.5.2直接實現169
6.5.3級聯實現171
6.5.4綫性係統和量化後的係統響應對比174
6.6控製器的HDL實現175
6.6.1VHDL實例175
6.6.2Verilog實例178
6.7要點總結179
第7章數字控製的自整定180
7.1自整定技術簡介180
7.2可編程的PID結構181
7.3通過注入數字擾動信號實現自整定184
7.3.1工作原理185
7.3.2PD自整定的實現188
7.3.3仿真實例190
7.3.4PD自整定環路的小信號分析192
7.4基於繼電器反饋的數字自整定197
7.4.1工作原理198
7.4.2數字式繼電器反饋的實現199
7.4.3仿真實例202
7.5實現問題203
7.6要點總結204
附錄205
附錄A離散時間綫性係統和Z變換205
A.1差分方程205
A.1.1強迫響應206
A.1.2自由響應207
A.1.3脈衝響應和係統的模208
A.1.4模的漸進特性209
A.1.5更多實例209
A.2Z變換210
A.2.1定義210
A.2.2性質210
A.3傳遞函數212
A.3.1穩定性212
A.3.2頻率響應212
A.4狀態空間錶達式213
附錄B定點算法和HDL編碼214
B.1截斷操作和截斷誤差214
B.2浮點和定點算術係統215
B.3二進製補碼（B2C）的定點錶示216
B.4信號錶示218
B.5B2C數的操作以及HDL實例219
B.5.1符號擴展219
B.5.2對齊220
B.5.3符號取反221
B.5.4LSB和MSB截斷222
B.5.5加法和減法223
B.5.6乘法225
B.5.7溢齣檢測和飽和運算225
附錄C規則采樣脈衝寬度調製器的小信號相位滯後230
C.1後沿調製器231
C.2前沿調製器234
C.3對稱調製器234
參考文獻236

前言/序言

　　原書前言
　　在連續時域分析、開關變換器的平均模型和模擬控製理論等框架內，人們已經建立電力電子學基礎［1-5］。然而，電力電子變換器的控製和管理功能逐步趨於數字化實現，使其基礎研究領域延伸至離散時間建模域和數字控製技術。動態係統的數字控製的教科書和課程通常介紹瞭基礎知識，但並未提供深入理解和涉及基於數字控製功率變換器的特殊知識。本書試圖填補這一空白，將係統而嚴謹地介紹基於數字控製的高頻開關變換器的基礎知識。《高頻開關變換器的數字控製》的目標是使讀者能夠理解、分析、建模、設計功率變換器的數字控製環。其內容涵蓋瞭從係統級傳遞函數到采用主流硬件描述語言（HDL）如VHDL或者Verilog的實際設計。
　　《高頻開關變換器的數字控製》可作為主修電力電子課程的電氣工程研究生的教科書或者作為研究數字控製的功率變換器的工程師和研究人員的參考書。《高頻開關變換器的數字控製》假定讀者已經熟悉電力電子的基本規律以及連續時間域建模方法和控製技術。熟悉采樣係統和離散時間係統的分析有助於理解本書，但這些知識點不是必需的。本書的開始部分會對這些重要的概念進行介紹，此外附錄A也總結瞭離散時間係統的基礎知識點。對於一些更加復雜的研究背景，讀者可參考一些教科書，例如參考文獻[7，8]。
　　《高頻開關變換器的數字控製》結構如下：導論概述瞭數字控製的高頻開關變換器，闡述瞭研究熱點背後的動機，小結瞭當前關於該領域分析、建模、控製和實現的現狀，總結瞭目前數字控製器的優點（友好的係統能量管理接口，控製功能可編程實現，動態響應和效率的提升，實用的自整定技術）。
　　第1章迴顧瞭開關變換器連續時間域平均狀態建模方法。許多專業圖書都介紹瞭平均小信號建模方法，這部分內容並不是簡單的重復，而是意在重點介紹平均小信號建模方法背後的建模方法和假設條件。瞭解平均建模方法的原理和約束條件有助於理解對數字控製的功率變換器建模時需要不同的建模方法。
　　第2章介紹瞭數字控製的變換器中的關鍵器件，這使得讀者無須關注建模的細節就能快速瞭解模擬控製和數字控製的區彆。本章結尾討論瞭采用連續時間域平均模型設計數字環路的方法，在實際工程中常采用這種方法，但是這種方法是一種近似方法，僅考慮瞭采樣影響和數字控製延遲。
　　第3章介紹離散域建模的方法，將數字控製的變換器視為一個數據采樣係統，推導z域而不是s域下的小信號動態模型。此外，本章討論瞭一些建模實例，以便建立離散時域建模的理論框架。本章進一步建立瞭連續時間建模與離散建模之間的變換關係。這個變換關係與拓撲結構無關。介紹瞭一個簡單直接嚮前離散化公式，將變換器的平均小信號模型轉化為精確的離散時間域模型。
　　第4章在第3章提齣的離散時間域模型基礎上分析瞭如何直接設計數字補償器。有關文獻介紹瞭很多設計方法，本書重點介紹瞭雙綫性變換法。這種方法的最大的優點是整個設計過程類似連續時間域的設計過程，數字控製的變換器以及數字補償器都可假設為連續時間域係統，所以直接數字化的設計可利用模擬控製時頻域下的設計指標。本章還提到電壓模式、電流模式、多環控製的DC-DC變換器以及功率因數校正(PFC)整流器中標準的數字比例積分(PI)補償器和比例積分微分(PID)補償器的設計。
　　第5章介紹瞭模-數(A/D)轉換器的幅度量化誤差和數字脈寬調製（DPWM）。數字控製的DC-DC變換器是閉環係統，且存在直流工作點。本章開始部分闡述瞭該係統中的極限環振蕩齣現的原因。其次，為避免這種現象的發生，提齣瞭無極限環振蕩的條件並給齣基本的設計指導建議。本章最後簡要概述瞭DPWM和A/D的結構以及如何實現相關平衡。
　　第6章介紹瞭如何實現數字補償器。首先要考慮補償器係數的縮放和量化，確定環路幅值增益的誤差和穿越頻率處的相位誤差。其次論述瞭如何在定點運算環境下實現控製規律，並且提齣在控製結構中確定不同信號的字長的方法。考慮到本書重點在於數字控製在高頻開關變換器中的應用，本章重點介紹瞭控製規律的實現過程，並附有VHDL或Verilog硬件語言例程。本書同樣也關注在軟件中、在微處理器上如何實現這些控製規律。
　　數字控製的優點在於可自整定，這既有潛力又有挑戰。由於這個問題的重要性，故第7章總結瞭高頻開關變換器的數字自整定技術。在簡單討論瞭數字自整定的基礎後，詳細提齣瞭兩種自整定技術：注入式和繼電器式。
　　《高頻開關變換器的數字控製》的目的旨在重點強調數字控製係統設計中的基本理論問題和實際應用技術之間的區彆，以便消除離散建模或數字控製理論難以理解和實際應用十分睏難的睏惑。基於這一想法，本書在理論推導的同時給齣瞭Matlab說明實例。在大多數情況下，幾條Matlab命令就能直接完成係統級補償器的設計，並將結果快速地轉化為HDL代碼和實施步驟。此外，設計案例貫穿於全書，並在Matlab環境中得到仿真驗證。

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