CN104079170A - 一种新型Boost变换器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型Boost变换器控制方法，在电流内环电压外环的双环控制基础上，将输入电压与负载电流的前馈引入到电流参考的生成环节，消除输入电压与负载电流的变动对输出电压的干扰，简化电流环节，得到电压环传递函数。此方法显著的提高了Boost变换器的输出电压稳定能力，减小输出电压稳态误差，并且在负荷突变过程中有效减小输出电压的暂态突变。本发明所提方法概念清晰，前馈环节设计方法简单，控制效果显著。

Description

一种新型Boost变换器控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子变换器控制技术，特别涉及一种新型Boost变换器控制方法。

背景技术

Boost变换器是一种结构非常简单，使用场合较广的升压型直流变换器，在开关稳压电源、光伏发电系统、直流电机能量回馈制动等变流装置中得到广泛应用。稳定的直流电压对设备的安全稳定高效运行至关重要，因此如何实现Boost变换器输出电压稳定，提高其对输入电压、负荷等变化的抗干扰能力是提高Boost变换器性能的关键。

传统的单电压环反馈控制存在响应速度较慢，在系统受到干扰较大时候超调量很大的缺点；电流内环电压外环的双环控制策略尽管提高了系统的响应速度，但是对于输入电压、输出电流变动情况下的输出电压波动仍不能很好消除。其他的诸如反步法非线性控制、模糊控制、混沌控制等方法增加了控制的复杂性，不利于控制系统的设计。

发明内容

本发明是针对电流内环电压外环的双环控制对于输入电压、输出电流变动情况下的输出电压波动不能很好消除的问题，提出了一种新型Boost变换器控制方法，利用输入电压前馈与输出电流前馈消除二者的变动对输出电压的影响。

本发明的技术方案为：一种新型Boost变换器控制方法，其特征在于，在电流内环电压外环的双环控制基础上，将输入电压与负载电流的前馈引入到电流参考的生成环节，消除输入电压与负载电流的变动对输出电压的干扰，简化电流环节，得到电压环传递函数为：

，其中G _cvC为电压环补偿函数，U _C为输出电压直流稳态分量，U _i为输入电压直流稳态分量，I _L为电感电流直流稳态分量，R为负载等效电阻的直流稳态分量，Δu _Cref为电压环参考电压交流小信号分量，Δu _i为输入电压的交流小信号分量，Δi _r为输出电流的交流小信号分量， H _u为电压采样环节的传递函数，H _i为电流采样环节的传递函数，K _u为输入电压前馈系数，K _i为输出电流前馈系数；令：

  ，则消除Δu _i与Δi _r的变动引起的Δu _C的变化。

本发明的有益效果在于：本发明新型Boost变换器控制方法，显著的提高了Boost变换器的输出电压稳定能力，减小输出电压稳态误差，并且在负荷突变过程中有效减小输出电压的暂态突变。本发明所提方法概念清晰，前馈环节设计方法简单，控制效果显著。

附图说明

图1为Boost变换器拓扑图；

图2为Boost变换器工作波形图；

图3为Boost变换器内电流环控制框图；

图4为电流环等效后未加前馈控制的Boost变换器电压环控制框图；

图5为加入前馈控制的Boost变换器电压环控制框图；

图6为双环控制方式与本发明所提出的双环加前馈控制方式输出电压比较图；

图7为双环控制方式与本发明所提出的双环加前馈控制方式输出电压局部放大比较图；

图8为双环控制方式与本发明所提出的双环加前馈控制方式负荷突变时输出电压比较图。

具体实施方式

本发明通过将输入电压与负载电流的前馈引入到电流参考的生成环节，消除二者的变动对输出电压的干扰，提高Boost变换器的稳压能力。

本发明的技术方案如下：

1）Boost变换器的建模

图1所示为Boost变换器，其中：u _i为低压侧电源；L为升压电感；S为MOSFET开关管；Do为二极管；C为滤波电容；r为负载等效电阻；i _L为电感电流；i _Do为通过二极管的电流；i _C为电容电流；u _C为输出电压，i _r为输出电流。

取状态变量为i _L及u _C，输入变量为u _i，开关管占空比为d。

根据图2所示的Boost变换器工作波形图，其中，i _Lavg为电感电流的平均值，S为1表示此时开关管导通，S为0表示此时开关管关断，Do为1表示此时二极管导通，Do为0表示此时二极管关断。利用状态空间平均法可以得到Boost变换器的状态方程为：

                         (1)

取静态工作点为：(U _C，I _L， U _i，D，R)，它们分别为变量（u _C，i _L， u _i，d，r）对应的直流稳态分量，在没有干扰的情况下均为定值。解得静态工作点状态变量解为：

                                  (2)

动态变化的电路中各个电气量可以看做是在静态工作点的直流稳态分量基础上对系统施加交流小信号分量后系统的运行结果，因此有下面的表达式：u _C=U _C+Δu _C，i _L=I _L+Δi _L，u _i=U _i+Δu _i，d=D+Δd，r =R+Δr。其中（Δu _C，Δi _L，Δu _i，Δd，Δr）分别为与变量（u _C，i _L，u _i，d，r）对应的在直流稳态分量上施加的交流小信号分量。将上述变量带入状态方程（1）中，忽略二阶项可以得到如下交流小信号变量之间的传递函数模型：

           (3)

其中s为拉普拉斯算子。

定义下列传递函数： 

                        (4)

                        (5)

其中：为输入电压u _i到电感电流i _L的传递函数；为输入电压u _i到输出电压u _C的传递函数；为开关管占空比d到电感电流i _L的传递函数；为开关管占空比d到输出电压u _C的传递函数。

忽略各种损耗，由系统的功率平衡有：

                                   (6)

分别将式（6）中的变量以直流稳态分量与交流小信号分量之和的形式带入，消除直流稳态分量并忽略二阶及以上的交流小信号变量可以得到：

                       (7)

考虑到：

                                     (8)

即：

                           (9)

消除直流稳态分量并忽略二阶的交流小信号变量可以得到：

                                (10)

带入前式(7)整理得到：

                       (11)

2）内部电流环的简化

在图3所示的Boost变换器内电流环控制框图，Δi _Lref为电流环参考电流的交流小信号分量；G _ciC为电流环补偿函数；G _M为PWM增益函数；为开关管占空比到电感电流的传递函数，为输入电压到电感电流的传递函数，可由式(4)求得；H _i为电流采样环节的传递函数。电流环传递函数为：

                         (12)

一般情况下||<<||，||>>1，且电流环的引入主要为了提高系统的响应速度，因此可以忽略输入电压Δu _i对电流环的影响。考虑上述因素，电流环可以近似等效为增益为1/H _i的比例环节。

3) 前馈控制的引入

将电流环等效后的Boost变换器电压环控制框图如图4所示。电压环传递函数为：

                 (13)

其中：Δu _Cref为电压环参考电压的交流小信号分量，H _u为电压采样环节的传递函数，G _cvC为电压环补偿函数，采用恒压控制时候，可以认为Δu _Cref=0，故Δu _i与Δi _r的变化将引起直流母线电压的波动。为了消除二者的波动对输出电压的影响，引入Δu _i与Δi _r的前馈量到电流环的参考电流生成环节。引入前馈环后的控制框图见图5，K _u为输入电压前馈系数，K _i为输出电流前馈系数，电压环传递函数为：

(14)

若令：

                                 (15)

则可以完全消除Δu _i与Δi _r的变动引起的Δu _C的变化，实现对输出电压更精确的控制。

4) 仿真验证

基于上述提出的新型前馈控制策略，在PSCAD/EMTDC软件中搭建仿真模型进行仿真验证。仿真中将对比电流内环电压外环的双环控制方式与本发明所提出的在双环控制基础上增加前馈控制后的控制方式下Boost变换器的输出电压。两种模型中除了增加的前馈控制外其他所有参数均相同。

系统参数如下：升压电感L=0.5mH，滤波电容C=500μF，开关频率f=100kHz；系统额定直流工作点如下：功率P=100W，输入电压U _i=10V，电感电流I _L=10A，输出电压U _C=20V，输出电流I _r=5A，等效负载R=4Ω，占空比D=0.5。由上述参数通过式(15)可以求得前馈系数K _u=-1，K _i=2.5。系统中电流采样环节的传递函数H _i=1，电压采样环节的传递函数H _u=1，电流环补偿函数G _ciC=1，电压环补偿函数为：

                           (16)

其中，s为拉普拉斯算子。

为了验证前馈量对输出电压的改善，在直流工作点对输入电压与输出电流分别施加交流小信号分量（作为小干扰量）为：

Δu _i=(sin314t)V，Δi _r=0.5sin(314t+90°)A。

通过比较图6与图7中两种控制方式下输出电压的波形可以看到，本发明所提出新方法输出电压正负误差和小于0.5V，传统的双环控制方法输出电压正负误差和大于2.5V。

图8为了验证本发明所提方法在负荷突变时候的稳压能力。其中已将输入电压与输出电流小干扰量去掉。输出电流I _r在1s时候由5A突降为4A。双环控制中输出电压突变值偏离稳态值|Δu _C|=3.8V，双环加前馈控制中的输出电压突变值偏离稳态值|Δu _C|=1V。

通过上述仿真可以看出本发明所提方法稳态及暂态的稳压能力显著。

Claims (1)

1.一种新型Boost变换器控制方法，其特征在于，在电流内环电压外环的双环控制基础上，将输入电压与负载电流的前馈引入到电流参考的生成环节，消除输入电压与负载电流的变动对输出电压的干扰，简化电流环节，得到电压环传递函数为：

，其中G _cvC为电压环补偿函数，U _C为输出电压直流稳态分量，U _i为输入电压直流稳态分量，I _L为电感电流直流稳态分量，R为负载等效电阻的直流稳态分量，Δu _Cref为电压环参考电压交流小信号分量，Δu _i为输入电压的交流小信号分量，Δi _r为输出电流的交流小信号分量， H _u为电压采样环节的传递函数，H _i为电流采样环节的传递函数，K _u为输入电压前馈系数，K _i为输出电流前馈系数；

令：

  ，则消除Δu _i与Δi _r的变动引起的Δu _C的变化。