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三電平DC?DCbuck變換器的分段滑??刂萍帮w跨電容電壓平衡方法與流程

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三電平DC?DC buck變換器的分段滑??刂萍帮w跨電容電壓平衡方法與流程

本發(fā)明涉及自動(dòng)化控制領(lǐng)域,尤其涉及一種三電平dc-dcbuck變換器的分段滑??刂萍帮w跨電容電壓平衡方法。



背景技術(shù):

高電壓輸入、中大功率輸出的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越多,而功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓和載流能力卻沒(méi)有取得大的突破,傳統(tǒng)兩電平buck直流變換器難以滿(mǎn)足高壓大功率電能變換要求,但是多電平buck直流變換器能解決這一難題。三電平buck直流變換器相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平buck直流變換器有著諸多優(yōu)勢(shì):開(kāi)關(guān)管上承受的電壓應(yīng)力減半、有效切換頻率為開(kāi)關(guān)頻率2倍、濾波電感、電容尺寸更小以及能量密度更高。然而,三電平buck直流變換器是典型的非線(xiàn)性系統(tǒng),開(kāi)關(guān)數(shù)目多,在多個(gè)模態(tài)間切換工作,輸出電壓與飛跨電容電壓耦合,控制難度大。雖然現(xiàn)有技術(shù)中利用滑模控制方法對(duì)傳統(tǒng)buck變換器進(jìn)行控制,但是對(duì)三電平dc-dcbuck變換器而言,能夠?qū)崿F(xiàn)分段滑??刂品椒ㄕ{(diào)節(jié)輸出電壓的同時(shí)平衡飛跨電容電壓的技術(shù)尚屬空白,這就亟需本領(lǐng)域技術(shù)人員解決相應(yīng)的技術(shù)問(wèn)題。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題,特別創(chuàng)新地提出了一種三電平dc-dcbuck變換器的分段滑模控制及飛跨電容電壓平衡方法。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的,本發(fā)明提供了一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)輸出電壓和平衡飛跨電容電壓兩個(gè)控制目標(biāo)的分段滑膜控制方法,該控制方法實(shí)現(xiàn)了輸出電壓控制和飛跨電容電壓控制的解耦。

本發(fā)明公開(kāi)一種三電平dc-dcbuck變換器的分段滑??刂萍帮w跨電容電壓平衡方法,包括如下步驟:

s1,三電平dc-dcbuck變換器的分段滑??刂葡到y(tǒng)的搭建和模態(tài)分析;

s2,基于分段滑模控制理論對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制同時(shí)平衡飛跨電容電壓;

s3,基于分段滑膜控制方法對(duì)其進(jìn)行有效、快速且穩(wěn)定的控制。

所述的三電平dc-dcbuck變換器的分段滑模控制及飛跨電容電壓平衡方法,優(yōu)選的,所述s1包括:

三電平dc-dcbuck變換器拓?fù)?,其中,vin是輸入電壓,vo是輸出電壓,vref是輸出電壓參考值,vcf是飛跨電容電壓,il是電感電流,g1,g2,g3,g4是4個(gè)可控開(kāi)關(guān)管,cf是飛跨電容,r是電阻負(fù)載,l和c分別是濾波電感和濾波電容。

三電平buck直流變換器工作模態(tài)能夠被分為4個(gè)模態(tài):

模態(tài)1:g2、g4導(dǎo)通而g1、g3斷開(kāi),vlef=0;

模態(tài)2:g1、g4導(dǎo)通而g2、g3斷開(kāi),飛跨電容被充電,vlev=vin-vcf;

模態(tài)3:g2、g3導(dǎo)通而g1、g4斷開(kāi),飛跨電容被放電,vlev=vcf;

模態(tài)4:g1、g3導(dǎo)通而g2、g4斷開(kāi),vlev=vin。

g1和g2互補(bǔ)導(dǎo)通,g3和g4互補(bǔ)導(dǎo)通,所以4個(gè)開(kāi)關(guān)管能夠分為兩組組內(nèi)互補(bǔ)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管,(g1,g2)和(g3,g4)。

所述的三電平dc-dcbuck變換器的分段滑??刂萍帮w跨電容電壓平衡方法,優(yōu)選的,所述s2包括:

采用滑??刂频姆侄卧O(shè)計(jì)。在充電階段,三電平降壓變換器將工作在“兩電平”模式,這意味著變換器僅包含模態(tài)1和模態(tài)2,同時(shí),pi控制器和脈寬調(diào)制器2不工作,也就是δd=0和u3=0。因此,飛跨電容只能被充電而不能放電,這減小了充電階段的時(shí)間。

當(dāng)vref/vin<0.5時(shí),變換器被描述為:

當(dāng)u=0意味著g1,g3關(guān)斷且g2,g4導(dǎo)通(模態(tài)1),而u=1意味著g1和g3其中只有一個(gè)關(guān)斷(模態(tài)2或模態(tài)3);

當(dāng)vref/vin>0.5時(shí),變換器被描述為:

當(dāng)u=1意味著g1,g3開(kāi)通且g2,g4關(guān)斷(模態(tài)4),而u=0意味著g1和g3其中只有一個(gè)開(kāi)通(模態(tài)2或模態(tài)3)。

定義輸出電壓誤差e=vref·vo,其一階倒數(shù)和它的積分項(xiàng)∫edt作為模態(tài)變量,當(dāng)vref/vin<0.5時(shí)的模態(tài)模型能夠從如下的方程中得出:

當(dāng)vref/vin>0.5時(shí)的模態(tài)模型從如下的方程中得出:

其中

大多數(shù)之前提出的用于降壓變換器的滑模式電壓控制器總是選擇作為滑膜面,其僅涉及電壓誤差及其一階導(dǎo)數(shù)。為了減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,錯(cuò)誤的積分項(xiàng)∫edt被加到滑膜面中。滑模變量被定義為:

其中k=[k1,k2,k3],k1,k2,k3>0。

s的一階導(dǎo)被表示為:

滑模運(yùn)行的存在條件是這確保了滑動(dòng)面的可達(dá)性,能夠用如下方式表述:

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入滑動(dòng)面時(shí),等效軌跡表示為:f、g代表向量,上述指出s為滑膜量,

然后,等效控制信號(hào)uεq表示為:

通過(guò)公式替代和引入,當(dāng)vref/vin<0.5時(shí)的等效控制信號(hào)表示為:

當(dāng)vref/vin>0.5時(shí)的等效控制信號(hào)表示為:

在滑動(dòng)模態(tài)面,滑??刂频牡刃Э刂菩盘?hào)uεq和pwm控制方法的占空比d等效。輸出電壓是通過(guò)在vlev=vin-vcf和vlev=0之間切換產(chǎn)生的。

當(dāng)vref/vin<0.5時(shí)定義d1為占空比,當(dāng)vref/vin>0.5時(shí)定義d2為占空比,默認(rèn)ueq1=d1和ueq2=d2,根據(jù)每對(duì)互補(bǔ)開(kāi)關(guān)管的占空比d和d1或d2之間的關(guān)系,分別表示為:

分別進(jìn)行公式替代和引入,不管vref/vin<0.5或vref/vin>0.5,d有相同的表達(dá)式:

飛跨電容在從0v充電到其期望電壓值vin/2的充電階段中,某些開(kāi)關(guān)管上的電壓應(yīng)力將會(huì)增加,這意味著充電階段應(yīng)該盡快完成。在充電階段,分段滑膜控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),飛跨電容只能被充電而不能放電,這保證了充電階段盡快完成;

對(duì)三電平buck直流變換器的控制有兩個(gè)控制目的,即快速調(diào)節(jié)輸出電壓跟蹤其參考值vref和將飛跨電容電壓平衡在vin/2。對(duì)于“兩電平”模式,能夠進(jìn)行相同的分析并且(g1,g2)這對(duì)互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)管的占空比表示為:

控制器直到vcf>vin/2保持圖7中的結(jié)構(gòu)。一旦vcf首次高于vin/2,分段滑??刂撇呗员磺袚Q到交錯(cuò)pwm滑??刂?。

所述的三電平dc-dcbuck變換器的分段滑模控制及飛跨電容電壓平衡方法,優(yōu)選的,所述s3包括:

理論上,如果4個(gè)開(kāi)關(guān)管特性相同,且兩組組內(nèi)互補(bǔ)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管(g1,g2)和(g3,g4)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為占空比完全相同、相位差180度的pwm信號(hào),則飛跨電容電壓能夠被自動(dòng)平衡到,這被稱(chēng)為飛跨電容的自動(dòng)調(diào)節(jié)特性。但是實(shí)際電路情況是復(fù)雜的,使得飛跨電容電壓難以自動(dòng)平衡,需要對(duì)飛跨電容電壓實(shí)施控制。為了分析三電平buck直流變換器工作原理的方便,作出如下假設(shè):飛跨電容電壓已經(jīng)被穩(wěn)定在輸入電壓的1/2;飛跨電容、濾波電感、濾波電容均為理想元件;濾波電容的電容值足夠大,輸出電壓的紋波能夠忽略,輸出電壓能夠被看作恒值電壓;兩組組內(nèi)互補(bǔ)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管(g1,g2)和(g3,g4)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比相等,且相位相差180度。基于分段滑膜控制方法對(duì)其進(jìn)行有效、快速且穩(wěn)定的控制。

綜上所述,由于采用了上述技術(shù)方案,本發(fā)明的有益效果是:

本發(fā)明提出的分段滑模控制方法能夠調(diào)節(jié)輸出電壓跟蹤參考值的同時(shí)平衡飛跨電容電壓在輸入電壓值的一半,能夠發(fā)揮三電平dc-dcbuck變換器相較于傳統(tǒng)buck變換器的優(yōu)勢(shì)。利用分段滑??刂品椒ň哂袉?dòng)過(guò)程無(wú)超調(diào)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出,部分將從下面的描述中變得明顯,或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解,其中:

圖1為本發(fā)明流程圖;

圖2為本發(fā)明三電平dc-dcbuck變換器示意圖;

圖3a-3d為本發(fā)明三電平dc-dcbuck變換器的四個(gè)工作模態(tài);

圖4為門(mén)信號(hào)和電壓vlev波形圖;

圖5為本發(fā)明交錯(cuò)pwm滑??刂葡到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu);

圖6為充電階段輸出電壓的惡化示意圖;

圖7為本發(fā)明分段滑模控制系統(tǒng)在充電階段的基本結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例,所述實(shí)施例的示例在附圖中示出,其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的,僅用于解釋本發(fā)明,而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中,需要理解的是,術(shù)語(yǔ)“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系,僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述,而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作,因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中,除非另有規(guī)定和限定,需要說(shuō)明的是,術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解,例如,能夠是機(jī)械連接或電連接,也能夠是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通,能夠是直接相連,也能夠通過(guò)中間媒介間接相連,對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言,能夠根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)的具體含義。

如圖1所示,本發(fā)明的步驟為三電平dc-dcbuck變換器的分段滑模控制及飛跨電容電壓平衡方法,包括如下步驟:

s1,三電平dc-dcbuck變換器的分段滑??刂葡到y(tǒng)的搭建和模態(tài)分析;

s2,基于分段滑??刂评碚搶?duì)輸出電壓進(jìn)行控制同時(shí)平衡飛跨電容電壓;

s3,基于分段滑膜控制方法對(duì)其進(jìn)行有效、快速且穩(wěn)定的控制。

步驟1,分析圖2所示三電平dc-dcbuck變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中,vin是輸入電壓,vo是輸出電壓(vref是輸出電壓參考值),vcf是飛跨電容電壓,il是電感電流,g1,g2,g3,g4是4個(gè)可控開(kāi)關(guān)(mosfet),cf是飛跨電容,r是電阻負(fù)載,l和c分別是濾波電感和濾波電容。g1和g2互補(bǔ)導(dǎo)通,g3和g4互補(bǔ)導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)管g1,g2,g3,g4對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)分別為u1,u2,u3,u4。開(kāi)關(guān)的不同組合構(gòu)成三電平dc-dcbuck變換器的下列四種模態(tài)。模態(tài)1:g2,g4導(dǎo)通,g1,g3關(guān)斷,vlev=0;模態(tài)2:g1,g4導(dǎo)通,g2,g3關(guān)斷,vlev=vin-vcf,飛跨電容充電;模態(tài)3:g2,g3導(dǎo)通,g1,g4關(guān)斷,vlev=vcf,飛跨電容放電;模態(tài)4:g1,g3導(dǎo)通,g2,g4關(guān)斷,vlev=vin。

第一mos管源極連接電壓源正極,第一mos管柵極連接u1輸入端,第一mos管漏極連接cf一端和第三mos管源極,第三mos管柵極連接u3輸入端,第三mos管漏極連接電感l(wèi)一端和第四mos管漏極,第四mos管柵極連接u3輸出端,第四mos管源極連接第二mos管漏極,第二mos管柵極連接u1輸出端,第二mos管源極連接電壓源負(fù)極和電容一端,電容另一端連接電感另一端,電容還并聯(lián)一顆電阻。

步驟2,建立三電平dc-dcbuck變換器的數(shù)學(xué)模型(公式1),定義變換器的輸出量和參考值的差為滑模量,建立和分析滑模動(dòng)態(tài)方程。

步驟3,基于分段滑??刂评碚搶?duì)輸出電壓進(jìn)行控制同時(shí)平衡飛跨電容電壓。設(shè)計(jì)既能利用分段滑??刂品椒ㄕ{(diào)節(jié)輸出電壓又能平衡飛跨電容電壓控制的算法。

平衡飛跨電容電壓

三電平dc-dcbuck變換器采用雙閉環(huán)控制,在第一個(gè)回路中采用輸出電壓誤差來(lái)產(chǎn)生占空比d。兩組互補(bǔ)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管(g1,g2)和(g3,g4)在相移180度的相同的占空比d下進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作,以將輸出電壓vo調(diào)節(jié)為所需電壓vref。因?yàn)関cf和vo被強(qiáng)耦合,所以調(diào)整飛跨電容的充電時(shí)間和放電時(shí)間將會(huì)降低輸出電壓的性能。然而一旦添加到原始占空比的兩個(gè)修正量是等大反向的,vcf和vo就是不耦合的。在第二個(gè)回路中pi控制器通過(guò)使用飛跨電容電壓誤差來(lái)產(chǎn)生修正量。然后修正量被添加到一個(gè)原始占空比中并且從另一個(gè)相移180度的占空比中被減去。因此,交錯(cuò)pwm滑??刂茖?shí)現(xiàn)了平衡飛跨電容電壓的目的。交錯(cuò)pwm滑??刂葡到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

分段滑??刂?/p>

飛跨電容從0v充電到其期望電壓值vin/2的充電階段,某些開(kāi)關(guān)管上的電壓應(yīng)力將會(huì)增加,這意味著充電階段應(yīng)該盡快完成。此外,在這個(gè)階段是不對(duì)稱(chēng)的,這意味著如圖4所示的交錯(cuò)pwm滑??刂茖?huì)降低輸出電壓的性能。圖5說(shuō)明了輸出電壓的惡化。此外,飛跨電容電壓誤差為正并且其幅值遠(yuǎn)比vcf平衡在vin/2時(shí)的平衡模態(tài)大的多,因此這兩個(gè)修正量會(huì)更容易使相移的原始占空比變得飽和。

圖3a-3d為本發(fā)明三電平dc-dcbuck變換器的四個(gè)工作模態(tài);

為了改善上述方法,采用滑模控制的分段設(shè)計(jì)。在充電階段,三電平降壓變換器將工作在“兩電平”模式,這意味著變換器僅包含模態(tài)2和模態(tài)1。同時(shí),圖4中的pi控制器和脈寬調(diào)制器2不工作,也就是δd=0和u3=0。因此,飛跨電容只能被充電而不能放電,這減小了充電階段的時(shí)間。在“兩電平”模式下,由不對(duì)稱(chēng)的vlev引起的輸出電壓性能的惡化將不存在。對(duì)于“兩電平”模式,能夠進(jìn)行相同的分析并且(g1,g2)這對(duì)互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)管的占空比能夠表示為:

在充電階段,分段滑膜控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。飛跨電容只能被充電而不能放電,這保證了充電階段盡快完成。輸出電壓是通過(guò)在vlev=vin-vcf和vlev=0之間切換產(chǎn)生的??刂破髦钡絭cf>vin/2保持圖7中的結(jié)構(gòu)。一旦vcf首次高于vin/2,分段滑??刂撇呗员磺袚Q到如圖3所示的交錯(cuò)pwm滑模控制。

圖6為充電階段輸出電壓的惡化示意圖;

圖7為本發(fā)明分段滑??刂葡到y(tǒng)在充電階段的基本結(jié)構(gòu)。

綜上所述,本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提出的新穎的分段滑??刂品椒軌蛘{(diào)節(jié)輸出電壓跟蹤參考值的同時(shí)平衡飛跨電容電壓在輸入電壓值的一半,能夠發(fā)揮三電平dc-dcbuck變換器相較于傳統(tǒng)buck變換器的優(yōu)勢(shì)。發(fā)明中利用的分段滑模控制方法具有啟動(dòng)過(guò)程無(wú)超調(diào)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中,參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中,對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且,描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)能夠在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下能夠?qū)@些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型,本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。

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