随着全球能源转型和电力电子技术的快速发展，在可再生能源系统、电动汽车、储能单元和高性能电源中，实现高效稳定的功率转换变得越来越重要[[1], [2], [3]]。作为能源源和负载之间的关键接口，DC-DC变换器在决定系统效率、功率密度和动态稳定性方面起着至关重要的作用。这些变换器广泛应用于光伏系统、电池储能变换器和工业直流母线中，必须确保在负载扰动和输入波动的情况下都能实现快速稳定的输出调节。然而，传统的控制策略往往表现出缓慢的动态响应和振荡性瞬态行为，从而降低了整个系统的稳定性和可靠性[4]。
尽管已经提出了许多先进的控制方法，但在宽广的工作范围内实现快速稳健的动态响应仍然是一个基本挑战。核心难点在于电压和电流动态之间的强耦合，特别是在为恒功率负载供电或经历快速负载突变时。传统的级联双环控制架构固有地存在带宽限制；外部电压环的缓慢响应限制了可实现的瞬态速度。尽管最近的努力包括自适应观测器、有限时间扰动估计、虚拟阻尼注入和竞争双环框架，已经改善了瞬态性能，但其实际效果仍受到若干固有限制的制约。这些限制包括数字控制器引入的采样和计算延迟、高带宽下的噪声放大、参数敏感性以及实现复杂性的增加。因此，在不牺牲系统阻尼的情况下实现快速、稳定和抗噪声的动态响应仍然是一个未解决的挑战，并且一直是高性能DC-DC功率转换研究的关键焦点。
最近的研究工作探索了多种改进DC-DC变换器瞬态性能的解决方案。一些研究专注于基于硬件的加速技术来提高瞬态响应速度[[5], [6], [7], [8]]。例如，在[5]中，开发了一种快速瞬态恢复模块（FTRM），在负载突变期间临时调整占空比，从而实现快速的电压补偿和恢复。尽管这种方法有效减少了电压下降时间，但它增加了电路复杂性和功耗。同样，[7]引入了一种电荷平衡辅助电路，在负载移除时提供快速的能量释放路径以最小化电压超调；然而，额外的能量路径略微降低了整个系统的效率。
在控制策略方面，研究人员提出了事件触发、预测性和数字状态反馈控制技术来加速动态响应[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。例如，在[10]中，结合前馈调节的预测控制被用来在负载突变前预先补偿输出误差，显著提高了响应速度和稳定性。然而，这种方法严重依赖于精确的系统建模，限制了其对参数变化的鲁棒性。在[11]中，开发了一种状态反馈数字电流模式控制（SFD-CMC）方案，该方案使用离散状态方程实时调节电感电流，加快了电流动态，但对采样频率和计算延迟敏感。同时，[14]提出了一种双操作模式控制策略，根据负载条件自动在稳态模式和增强瞬态模式之间切换，有效平衡了不同负载水平下的响应性能。然而，模式切换可能会导致短期不连续性，从而产生轻微的输出波动[16]，[16]提出了一种自适应扩展状态观测器（AESO），根据电压误差动态调整观测器带宽。当电压偏差较大时，带宽增加以加速扰动跟踪；当偏差较小时，带宽减小以抑制测量噪声。然而，自适应带宽切换引入了额外的调整复杂性，并且在高带宽下运行时可能会放大切换噪声[18]，[18]提出了一种结合了有限时间扰动观测器（FTDO）和基于无源控制（PBC）的复合控制策略。FTDO实现了快速的扰动估计，而PBC框架确保了在恒功率负载下的稳定性。尽管如此，FTDO对测量噪声敏感，且FTDO-PBC结构的整体实现复杂性高于传统控制方法。
其他研究应用了自适应和多模式控制策略来实现平滑快速的动态过渡[[19], [20], [21], [22], [23]]。在[19]中，电流模式控制与线性调节相结合，在重负载变化下提高了瞬态和稳态性能，但代价是系统复杂性和参数调整难度的增加。在[21]中，自适应占空比调整技术根据输出电压变化率动态修改占空比，有效缩短了过渡时间；然而，高频噪声可能会引起占空比抖动，从而影响稳定性。
此外，环路结构优化和多环协调机制已被证明可以有效增强系统阻尼和瞬态性能[[24], [25], [26], [27], [28]]。在[24]中，引入了一种电压-电流双环控制结构，其中电压和电流环协同工作以在负载突变期间保持电压稳定。然而，不当的环路参数调整可能会引起竞争效应，降低阻尼和稳定性。在[25]中，将线性调节模式与电流模式控制相结合，以实现快速线性的电流响应，有效抑制了超调，但在轻负载时降低了能量效率。此外，[26]提出了一种峰值电流快速反馈控制（PFFC）方法，该方法检测每个开关周期中的峰值电流并快速调整占空比，以实现几乎无延迟的瞬态响应。虽然非常有效，但这种方法需要一个具有严格精度要求的复杂电流感应电路。
为了进一步改善DC-DC变换器的瞬态性能，本文开发了一种双环竞争控制方案，其中电压和电流控制器并行工作，而不是传统的级联排列。在这种并行配置中，两个环路同时响应负载扰动，使电压环能够积极参与快速瞬态调节，而不是被内部环路滤波延迟。因此，整体控制带宽得到了有效增加，控制延迟减少，从而在大负载变化时实现了更快的输出电压恢复。
然而，使两个环路同时作用会改变环路之间的相互作用，可能会降低系统的等效阻尼，表现为电感电流超调和在突然负载变化时的瞬态振荡。为了解决这个问题，我们引入了基于电容电流反馈的主动阻尼补偿。一个实时估计器从可访问的测量数据中重建电容电流，并将定制的阻尼项注入控制律中。这种补偿明确增强了系统的等效阻尼，抑制了电流超调，并稳定了瞬态轨迹，同时保持了稳态调节的准确性。
所提出的策略得到了严格的理论支持，包括等效阻尼要求的推导、带有补偿项的闭环传递函数的构建以及稳定性裕度的定量分析。该方法进一步在1.8千瓦DSP控制的原型机上进行了实现。在具有代表性的负载阶跃测试下的实验结果表明，与传统级联双环控制器相比，电压恢复速度显著加快，电感电流振荡得到了消除，从而证实了所提出的带有电容电流主动阻尼的双环竞争控制的有效性、鲁棒性和实际适用性。本文的其余部分组织如下：第二节介绍系统基础；第三节介绍关键分析和设计；第四节和第五节提供验证结果；第六节总结本文。
