CN111245238A - 三电平Boost电路控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三电平Boost电路控制方法及系统，该方法包括：将三电平Boost电路等效为两独立的两电平Boost电路串联形式；采用两套相同的电压外环与电流内环级联控制方式分别对各两电平Boost电路进行控制。相比于现有的电压环、电流环与均压环的三环控制方式，本发明的采用双环控制方法对三电平Boost电路进行控制，该方法可以在不增加电路硬件的基础上，省去均压环，只对电压环与电流环PI调节参数进行整定，优化了PI调节参数正定过程，PI调节参数整定难度小，控制框架结构更加简单，控制稳定性更高。同时，根据该三电平Boost电路控制方法，本发明还设计了相应的控制系统，对三电平Boost电路进行控制。

Description

三电平Boost电路控制方法及系统

技术领域

本发明属于Boost斩波电路控制技术领域，尤其涉及一种三电平Boost电路控制方法及系统。

背景技术

现有三电平Boost电路控制技术以电压外环、电流内环双环控制为主，为达到直流侧输出电容中点电位平衡目的，在控制中增加均压环，将均压环输出叠加到级联的电压环与电流环的输出上，最终通过PWM发生器输出脉宽，控制开关器件动作。同时三电平开关管的脉冲动作相位相差180度，达到减小直流侧电容纹波的目的。该控制方法原理图如图1所示，其存在三个控制环：电压环、电流环、均压环，其工作过程为：采集输出电容C1上电压U₁、输出电容C2上电压U₂做和送入电压环做反馈值U_{o_feedback}，PI调制后，将电压环输出作为电流环目标值_{Iin_ref}；然后采集电感电流I_in作为电流环反馈值I_{in_feedback2}，PI调制后，将电流环输出作为PWM比较器基准值；同时采集输出电容C1上电压U₁、输出电容C2上电压U₂做差送入均压环做反馈值Ub_feedback，PI调制后，将均压环输出与电流环输出叠加送入PWM比较器产生驱动信号控制开关管Q1、Q2。由此可知，该三电平Boost电路的控制方法的稳定性依赖三个控制环的PI调节参数整定，当一个控制环的参数选取不适时，会影响整个系统的控制精度，且三套PI调节参数的配合增加了系统的复杂度与困难度。

因此，有必要基于三电平Boost电路工作原理，在现有采用三控制环控制的基础上进行改进，在不增加硬件电路的基础上，提高控制环路的稳定性。

发明内容

本发明在上述现有三电平Boost电路控制方法不足的基础上提供了一种新的三电平Boost电路控制方法及系统，采用两套相同的控制环进行控制，控制方法简单，提高了控制环路的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种三电平Boost电路控制方法，包括：

将三电平Boost电路等效为两独立的两电平Boost电路串联形式；

采用相同的电压外环与电流内环级联控制方式分别对各两电平Boost电路进行控制。

优选的，将三电平Boost电路等效为两独立的两电平Boost电路串联形式的方法为：

将开关管Q1、正向导通二极管D1、输出电容C1等效为第一两电平Boost电路，将开关管Q1、反向导通二极管D2、输出电容C2等效为第二两电平Boost电路，将第一两电平Boost电路与第二两电平Boost电路串联。

优选的，对第一两电平Boost电路采用电压外环与电流内环级联控制的方式进行控制，具体包括：

采集输出电容C1的电压值U₁，输出电容C2的电压值U₂，以及升压电感L的电流值I_in；

将电压值U₁作为开关管Q2电压环调节器的电压反馈值U_{1_feedback}，并将电压反馈值U_{1_feedback}与给定的电压目标值U_{1_ref}代入开关管Q2电压环调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值作为与开关管Q2电压环调节器级联的开关管Q2电流环调节器的电流目标值I_{in_ref1}；

将电流值I_in作为开关管Q2电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback1}，并将电流反馈值I_{in_feedback1}与电流目标值I_{in_ref1}代入开关管Q2的电流环调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值输入至开关管Q2的脉宽调制发生器PWM2产生驱动信号控制开关管Q2的通断。

优选的，对第二两电平Boost电路采用电压外环与电流内环级联控制的方式进行控制，具体包括：

采集输出电容C1的电压值U₁，输出电容C2的电压值U₂，以及升压电感L的电流值I_in；

将电压值U₂作为开关管Q1电压环调节器的电压反馈值U_{2_feedback}，并将电压反馈值U_{2_feedback}与给定的电压目标值U_{2_ref}代入开关管Q1电压环调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值作为与开关管Q1电压环调节器级联的开关管Q1电流环调节器的电流目标值I_{in_ref2}；

将电流值I_in作为开关管Q1电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback2}，并将电流反馈值I_{in_feedback2}与电流目标值I_{in_ref2}代入开关管Q1的电流环调节器调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值输入至开关管Q1的脉宽调制发生器PWM1产生驱动信号控制开关管Q1的通断。

本发明还提供了一种三电平Boost电路控制系统，采用所述的三电平Boost电路控制方法，包括三电平Boost电路；系统还包括：

开关管Q2电压环调节器：用于将电压反馈值U_{1_feedback}与给定的电压目标值U_{1_ref}代入开关管Q2电压环调节器，进行PI调节后，得到开关管Q2电流环调节器的电流目标值I_{in_ref1}；

开关管Q2的电流环调节器：与所述开关管Q2电压环调节器级联，用于将电流反馈值I_{in_feedback1}与电流目标值I_{in_ref1}代入开关管Q2的电流环，进行PI调节后，得到脉宽调制发生器PWM2的调制信号；

开关管Q1电压环调节器：用于将电压反馈值U_{2_feedback}与给定的电压目标值U_{2_ref}代入开关管Q1电压环调节器，进行PI调节后，得到开关管Q1电流环调节器的电流目标值I_{in_ref2}；

开关管Q1电流环调节器：与所述开关管Q1电压环调节器级联，用于将电流反馈值I_{in_feedback2}与电流目标值I_{in_ref2}代入开关管Q1的电流环调节器，进行PI调节后，得到脉宽调制发生器PWM1的调制信号。

优选的，所述开关管Q2电压环调节器与开关管Q1电压环调节器采用相同的PI调节参数。

优选的，所述开关管Q2的电流环调节器与开关管Q1电流环调节器采用相同的PI调节参数。

优选的，系统还包括：

脉宽调制发生器PWM2：连接开关管Q2电流环调节器，用于接收脉宽调制发生器PWM2的调制信号并产生开关管Q2的驱动信号；

脉宽调制发生器PWM1：连接开关管Q1电流环调节器，用于接收脉宽调制发生器PWM1的调制信号并产生开关管Q1的驱动信号。

优选的，系统还包括：

第一电压采样处理电路：用于采集输出电容C1的电压值U₁，并将电压值U₁等效为开关管Q2电压环调节器的电压反馈值U_{1_feedback}；

第二电压采样处理电路：用于采集输出电容C2的电压值U₂，并将电压值U₂等效为开关管Q1电压环调节器的电压反馈值U_{2_feedback}。

优选的，系统还包括：

电流采样处理电路：用于采集升压电感L的电流值I_in，并将电流值I_in等效为开关管Q1电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback2}、以及开关管Q2电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback1}。

优选的，所述第一电压采样处理电路、第二电压采样处理电路、电流采样处理电路采用低通滤波电路。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明基于三电平Boost电路工作原理，提供了一种三电平Boost电路控制方法，将三电平Boost电路等效为两个独立的两电平Boost电路串联的形式，采用两套相同的电压外环与电流内环级联控制方式分别对各两电平Boost电路进行控制。相比于现有的电压环、电流环与均压环的三环控制方式，本发明的采用双环控制方法对三电平Boost电路进行控制，该方法可以在不增加电路硬件的基础上，省去均压环，只对电压环与电流环PI调节参数进行整定，优化了PI调节参数正定过程，PI调节参数整定难度小，控制框架结构更加简单，控制稳定性更高。同时，根据该三电平Boost电路控制方法，本发明还设计了相应的控制系统，对三电平Boost电路进行控制。

附图说明

图1为现有的采用三环控制的三电平Boost电路控制方法示意图；

图2为三电平Boost电路工作状态示意图(U_in>U_o/2)；

图3为三电平Boost电路等效电路图；

图4为本发明的三电平Boost电路控制方法示意框图；

图5为不同控制方法下三电平Boost电路输出电压波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明实施例提供了一种三电平Boost电路控制方法，具体方法为：

(1)参考图2-3所示，将三电平Boost电路等效为两独立的两电平Boost电路串联形式。具体分析如下：

当三电平Boost电路的输入电压U_in与输出电压U_o满足U_in>(U_o/2)时，三电平Boost电路一个周期内的开关管工作过程如图2所示。一个周期内的三电平Boost工作状态可分为4个暂态：

①如图2(a)所示，开关管Q1导通、Q2关断，此时输出电容C1向负载放电，输出电容C2储能，升压电感L储能；

②如图2(b)所示，开关管Q1关断，Q2关断，此时电源及升压电感L向输出电容C1、C2及负载同时放电；

③如图2(c)所示，开关管Q1关断，Q2导通，此时输出电容C1储能，输出电容C2向负载放电，升压电感L储能；

④如图2(d)所示，开关管Q1关断，Q2关断，此时此时电源及升压电感L向输出电容C1、C2及负载同时放电。

在上述状态中，状态①中开关管Q1导通、Q2关断时，可令输出电容C1电压降低，输出电容C2电压升高；状态③中可令输出电容C1电压升高，输出电容C2电压降低。进一步分析上述图2中的工作状态，可以看出输出电容C1的工作电压与开关管Q2紧密相关，开关管Q2导通时间越长，输出电容C1电压上升越高；同理输出电容C2的工作电压与开关管Q1紧密相关，开关管Q1导通时间越长，输出电容C2电压上升越高。

当三电平Boost电路的输入电压U_in与输出电压U_o满足U_in<(U_o/2)时，三电平Boost电路一个周期内的开关管工作过程在图2的工作过程的基础上增加开关管Q1、Q2同时导通时态，但电路控制方法并无本质影响，本实施例中不在展开讨论。

因此，根据上述分析，三电平Boost电路可等效为如图3所示的Boost电路，将一个三电平Boost电路等效为两个独立的两电平Boost电路，两个两电平Boost电路串联并复用一个升压电感L。即将开关管Q1、正向导通二极管D1、输出电容C1等效为第一两电平Boost电路，将开关管Q1、反向导通二极管D2、输出电容C2等效为第二两电平Boost电路，将第一两电平Boost电路与第二两电平Boost电路串联。

(2)在三电平Boost电路进行等效后，可将两电平Boost电路的电压外环、电流内环的控制方法应用到三电平Boost电路控制当中，利用开关管Q1与Q2分别对输出电容C2与C1上的电压进行控制，得到一种新型三电平Boost控制方法如图4所示。然后，采用相同的电压外环与电流内环级联控制方式分别对各两电平Boost电路进行控制。具体为：

采集输出电容C1的电压值U₁，输出电容C2的电压值U₂，以及升压电感L的电流值I_in；

对第一两电平Boost电路采用电压外环与电流内环的方式进行控制，电压环作为外控制环，电流环作为内控制环，根据电压环的输出量调节电流变化。具体为：将电压值U₁作为开关管Q2电压环调节器的电压反馈值U_{1_feedback}，并将电压反馈值U_{1_feedback}与给定的电压目标值U_{1_ref}代入开关管Q2电压环调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值作为与开关管Q2电压环调节器级联的开关管Q2电流环调节器的电流目标值I_{in_ref1}；将电流值I_in作为开关管Q2电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback1}，并将电流反馈值I_{in_feedback1}与电流目标值I_{in_ref1}代入开关管Q2的电流环调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值输入至开关管Q2的脉宽调制发生器PWM2产生驱动信号控制开关管Q2的通断。

对第二两电平Boost电路采用电压外环与电流内环的方式进行控制，电压环作为外控制环，电流环作为内控制环，根据电压环的输出量调节电流变化。具体为：将电压值U₂作为开关管Q1电压环调节器的电压反馈值U_{2_feedback}，并将电压反馈值U_{2_feedback}与给定的电压目标值U_{2_ref}代入开关管Q1电压环调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值作为与开关管Q1电压环调节器级联的开关管Q1电流环调节器的电流目标值I_{in_ref2}；将电流值I_in作为开关管Q1电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback2}，并将电流反馈值I_{in_feedback2}与电流目标值I_{in_ref2}代入开关管Q1的电流环调节器调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值输入至开关管Q1的脉宽调制发生器PWM1产生驱动信号控制开关管Q1的通断。

本实施例中采用相同的电压外环与电流内环级联控制方式分别对各两电平Boost电路进行控制，开关管Q2电压环调节器与开关管Q1电压环调节器采用相同的PI调节参数，开关管Q2的电流环调节器与开关管Q1电流环调节器采用相同的PI调节参数，只需对其中的两个PI调节参数进行整定即可，且电路输出特性不受影响。

图5为将本发明的三电平Boost电路控制方法与现有的采用三环控制方式进行仿真比较，由两种控制方式下的Boost电路输出电容电压仿真结果可以看出，采用本发明的两套双环控制方法的输出电压波动小，稳定性更高。

因此，相比于现有的电压环、电流环与均压环的三环控制方式，本发明的采用双环控制方法对三电平Boost电路进行控制，该方法可以在不增加电路硬件的基础上，省去均压环，只对两套PI调节参数进行整定，优化了PI调节参数正定过程，PI调节参数整定难度小，控制框架结构更加简单，控制稳定性更高。

本发明还提供了一种三电平Boost电路控制系统，采用上述的三电平Boost电路控制方法，系统还包括：

第一电压采样处理电路：用于采集输出电容C1的电压值U₁，并将电压值U₁等效为开关管Q2电压环调节器的电压反馈值U_{1_feedback}；

第二电压采样处理电路：用于采集输出电容C2的电压值U₂，并将电压值U₂等效为开关管Q1电压环调节器的电压反馈值U_{2_feedback}；

电流采样处理电路：用于采集升压电感L的电流值I_in，并将电流值I_in等效为开关管Q1电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback2}、以及开关管Q2电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback1}。实际设计中，第一电压采样处理电路、第二电压采样处理电路、电流采样处理电路可以具体采用RC或LC一阶低通滤波电路。

开关管Q2电压环调节器：用于将电压反馈值U_{1_feedback}与给定的电压目标值U_{1_ref}代入开关管Q2电压环调节器，进行PI调节后，得到开关管Q2电流环调节器的电流目标值I_{in_ref1}；开关管Q2的电流环调节器：与开关管Q2电压环调节器级联，用于将电流反馈值I_{in_feedback1}与电流目标值I_{in_ref1}代入开关管Q2的电流环，进行PI调节后，得到脉宽调制发生器PWM2的调制信号。

开关管Q1电压环调节器：用于将电压反馈值U_{2_feedback}与给定的电压目标值U_{2_ref}代入开关管Q1电压环调节器，进行PI调节后，得到开关管Q1电流环调节器的电流目标值I_{in_ref2}；开关管Q1电流环调节器：与开关管Q1电压环调节器级联，用于将电流反馈值I_{in_feedback2}与电流目标值I_{in_ref2}代入开关管Q1的电流环调节器，进行PI调节后，得到脉宽调制发生器PWM1的调制信号。

实际设计中，开关管Q2电压环调节器与开关管Q1电压环调节器采用相同的PI调节参数；开关管Q2的电流环调节器与开关管Q1电流环调节器采用相同的PI调节参数。

脉宽调制发生器PWM2：连接开关管Q2电流环调节器，用于接收脉宽调制发生器PWM2的调制信号并产生开关管Q2的驱动信号；脉宽调制发生器PWM1：连接开关管Q1电流环调节器，用于接收脉宽调制发生器PWM1的调制信号并产生开关管Q1的驱动信号。

综上可知，本发明基于三电平Boost电路工作原理，将三电平Boost电路等效为两个独立的两电平Boost电路串联的形式，采用两套相同的电压外环与电流内环级联控制方式分别对各两电平Boost电路进行控制。相比于现有的电压环、电流环与均压环的三环控制方式，本发明的采用双环控制方法对三电平Boost电路进行控制，该方法可以在不增加电路硬件的基础上，省去均压环，只对电压环与电流环PI调节参数进行整定，优化了PI调节参数正定过程，PI调节参数整定难度小，控制框架结构更加简单，控制稳定性更高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种三电平Boost电路控制方法，其特征在于，包括：

将三电平Boost电路等效为两独立的两电平Boost电路串联形式；

采用相同的电压外环与电流内环级联控制方式分别对各两电平Boost电路进行控制。

2.根据权利要求1所述的三电平Boost电路控制方法，其特征在于，将三电平Boost电路等效为两独立的两电平Boost电路串联形式的方法为：

将开关管Q1、正向导通二极管D1、输出电容C1等效为第一两电平Boost电路，将开关管Q1、反向导通二极管D2、输出电容C2等效为第二两电平Boost电路，将第一两电平Boost电路与第二两电平Boost电路串联。

3.根据权利要求2所述的三电平Boost电路控制方法，其特征在于，对第一两电平Boost电路采用电压外环与电流内环级联控制的方式进行控制，具体包括：

采集输出电容C1的电压值U₁，输出电容C2的电压值U₂，以及升压电感L的电流值I_in；

将电压值U₁作为开关管Q2电压环调节器的电压反馈值U_{1_feedback}，并将电压反馈值U_{1_feedback}与给定的电压目标值U_{1_ref}代入开关管Q2电压环调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值作为与开关管Q2电压环调节器级联的开关管Q2电流环调节器的电流目标值I_{in_ref1}；

将电流值I_in作为开关管Q2电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback1}，并将电流反馈值I_{in_feedback1}与电流目标值I_{in_ref1}代入开关管Q2的电流环调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值输入至开关管Q2的脉宽调制发生器PWM2产生驱动信号控制开关管Q2的通断。

4.根据权利要求2或3所述的三电平Boost电路控制方法，其特征在于，对第二两电平Boost电路采用电压外环与电流内环级联控制的方式进行控制，具体包括：

采集输出电容C1的电压值U₁，输出电容C2的电压值U₂，以及升压电感L的电流值I_in；

将电压值U₂作为开关管Q1电压环调节器的电压反馈值U_{2_feedback}，并将电压反馈值U_{2_feedback}与给定的电压目标值U_{2_ref}代入开关管Q1电压环调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值作为与开关管Q1电压环调节器级联的开关管Q1电流环调节器的电流目标值I_{in_ref2}；

将电流值I_in作为开关管Q1电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback2}，并将电流反馈值I_{in_feedback2}与电流目标值I_{in_ref2}代入开关管Q1的电流环调节器调节器，进行PI调节后，并将PI调节输出值输入至开关管Q1的脉宽调制发生器PWM1产生驱动信号控制开关管Q1的通断。

5.一种三电平Boost电路控制系统，采用权利要求3或4所述的三电平Boost电路控制方法，包括三电平Boost电路；其特征在于，系统还包括：

开关管Q2电压环调节器：用于将电压反馈值U_{1_feedback}与给定的电压目标值U_{1_ref}代入开关管Q2电压环调节器，进行PI调节后，得到开关管Q2电流环调节器的电流目标值I_{in_ref1}；

开关管Q2的电流环调节器：与所述开关管Q2电压环调节器级联，用于将电流反馈值I_{in_feedback1}与电流目标值I_{in_ref1}代入开关管Q2的电流环，进行PI调节后，得到脉宽调制发生器PWM2的调制信号；

开关管Q1电压环调节器：用于将电压反馈值U_{2_feedback}与给定的电压目标值U_{2_ref}代入开关管Q1电压环调节器，进行PI调节后，得到开关管Q1电流环调节器的电流目标值I_{in_ref2}；

开关管Q1电流环调节器：与所述开关管Q1电压环调节器级联，用于将电流反馈值I_{in_feedback2}与电流目标值I_{in_ref2}代入开关管Q1的电流环调节器，进行PI调节后，得到脉宽调制发生器PWM1的调制信号。

6.根据权利要求5所述的三电平Boost电路控制系统，其特征在于，

所述开关管Q2电压环调节器与开关管Q1电压环调节器采用相同的PI调节参数。

7.根据权利要求6所述的三电平Boost电路控制系统，其特征在于，

所述开关管Q2的电流环调节器与开关管Q1电流环调节器采用相同的PI调节参数。

8.根据权利要求5所述的三电平Boost电路控制系统，其特征在于，系统还包括：

脉宽调制发生器PWM2：连接开关管Q2电流环调节器，用于接收脉宽调制发生器PWM2的调制信号并产生开关管Q2的驱动信号；

脉宽调制发生器PWM1：连接开关管Q1电流环调节器，用于接收脉宽调制发生器PWM1的调制信号并产生开关管Q1的驱动信号。

9.根据权利要求8所述的三电平Boost电路控制系统，其特征在于，系统还包括：

第一电压采样处理电路：用于采集输出电容C1的电压值U₁，并将电压值U₁等效为开关管Q2电压环调节器的电压反馈值U_{1_feedback}；

第二电压采样处理电路：用于采集输出电容C2的电压值U₂，并将电压值U₂等效为开关管Q1电压环调节器的电压反馈值U_{2_feedback}。

10.根据权利要求9所述的三电平Boost电路控制系统，其特征在于，系统还包括：

电流采样处理电路：用于采集升压电感L的电流值I_in，并将电流值I_in等效为开关管Q1电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback2}、以及开关管Q2电流环调节器的电流反馈值I_{in_feedback1}。

11.根据权利要求9所述的三电平Boost电路控制系统，其特征在于，所述第一电压采样处理电路、第二电压采样处理电路、电流采样处理电路采用低通滤波电路。

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