CN112737323A - 一种Boost变换器及其无差拍控制方法、开关电源 - Google Patents

一种Boost变换器及其无差拍控制方法、开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Boost变换器及其无差拍控制方法、开关电源，该Boost变换器包括：Boost变换器本体；所述Boost变换器本体，包括：电感和电容；其中，在所述Boost变换器本体中，所述电感采用分数阶电感，所述电容采用整数阶电容；所述Boost变换器本体的控制器为双闭环控制器；所述双闭环控制器，包括：外环控制器和内环控制器；所述外环控制器采用分数阶PI控制器，所述内环控制器采用无差拍控制器。该方案，通过采用分数阶电感、以及无差拍控制和分数阶PI控制，以提升Boost变换器的可靠性和稳定性。

Description

一种Boost变换器及其无差拍控制方法、开关电源
技术领域
本发明属于开关电源技术领域，具体涉及一种Boost变换器及其无差拍控制方法、以及具有该Boost变换器的开关电源，尤其涉及一种分数阶Boost变换器及其无差拍控制方法、以及具有该分数阶Boost变换器的开关电源。
背景技术
相关方案中，对电感和电容数学建模的研究结果表明：电感和电容本质上都是分数阶的，整数阶的电感和电容在实际中并不存在，基于分数阶微积分理论建立的电感和电容模型更能反映其电特性，以往用来描述电感和电容电特性的整数阶模型是不够准确的甚至可能是错误的。然而，电感和电容又是开关功率变换器电路中不可或缺的电子器件。以往对开关功率变换器的模型研究都是建立在电感和电容是整数阶基础上的，显然这与其分数阶的本质是相违背的，是不科学的，这不能准确的反映开关功率变换器的动力学特性甚至可能会得出错误的结论。因此，对分数阶模型的研究是一项具有重要理论意义和实际应用价值的课题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种Boost变换器及其无差拍控制方法、开关电源，以解决Boost变换器的电感是整数阶电感，影响了Boost变换器的可靠性和稳定性的问题，达到通过采用分数阶电感、以及无差拍控制和分数阶PI控制，以提升Boost变换器的可靠性和稳定性的效果。
本发明提供一种Boost变换器，包括：Boost变换器本体；所述Boost变换器本体，包括：电感和电容；其中，在所述Boost变换器本体中，所述电感采用分数阶电感，所述电容采用整数阶电容；所述Boost变换器本体的控制器为双闭环控制器；所述双闭环控制器，包括：外环控制器和内环控制器；所述外环控制器采用分数阶PI控制器，所述内环控制器采用无差拍控制器。
在一些实施方式中，所述Boost变换器本体，还包括：二极管和开关管；其中，在所述Boost变换器本体中，输入电源的正极，经所述分数阶电感后连接至所述二极管的阳极，所述二极管的阴极经所述分数阶电容后连接至所述输入电源的负极；所述开关管的基极，连接至所述无差拍控制器；所述开关管的集电极，连接至所述二极管的阳极；所述开关管的发射极，连接至所述输入电源的负极；所述二极管的阴极，连接至所述分数阶PI控制器。
在一些实施方式中，所述分数阶电感的阶数为α，且0<α<1；所述分数阶PI控制器的控制方式是kp+ki/sα；kp是比例系数，ki是积分系数，s是分数阶微分算子。
在一些实施方式中，所述分数阶电感，包括：n个分数阶电感单元，n为正整数；每个所述分数阶电感单元，包括：电阻模块和电感模块，所述电感模块和所述电感模块并联设置；其中，在n≥2的情况下，n个所述分数阶电感单元串联设置。
在一些实施方式中，所述双闭环控制器，还包括：PWM调制单元；所述分数阶PI控制器，被配置为基于所述Boost变换器本体的输出电压与所述参考电压的差值进行PI处理，得到参考电流；所述无差拍控制器，被配置为基于所述Boost变换器本体的电感电流与所述参考电流的差值进行无差拍处理，得到占空比；所述PWM调制单元，被配置为基于所述占空比，输出PWM信号，以控制所述开关管。
在一些实施方式中，所述分数阶PI控制器，包括：比较模块和分数阶PI模块；其中，所述比较模块的同相输入端，能够输入设定的参考电压；所述比较模块的反相输入端，能够输入所述Boost变换器本体的输出电压；所述二极管的阴极处的电压，为所述Boost变换器本体的输出电压；所述比较模块的输出端，能够将所述Boost变换器本体的输出电压与所述参考电压的差值，输出至所述分数阶PI模块；所述分数阶PI模块，对所述Boost变换器本体的输出电压与所述参考电压的差值进行PI处理后，得到参考电流。
在一些实施方式中，所述分数阶PI控制器，包括：比较模块和分数阶PI模块；所述无差拍控制器，包括：线性外插模块和无差拍控制模块；其中，所述线性外插模块，被配置为基于所述Boost变换器本体的电感电流，进行线性外插处理，得到数个周期后的电感电流；所述无差拍控制模块，被配置为基于所述参考电流和所述数个周期后的电感电流，进行无差拍处理，得到下一个周期的所述占空比。
在一些实施方式中，所述线性外插模块，基于所述Boost变换器本体的电感电流，进行线性外插处理，包括：在每个周期的起始点进行电感电流的采样，得到i(k,1)和i(k,2)；按公式(1)计算，以提前一个周期得到第k个节拍的电感电流，作为数个周期后的电感电流：
iest(k)＝2i(k,2)-i(k,1) (1)；
其中，iest(k)是第k个节拍的电感电流，i(k,1)是第k个节拍第一个周期采样得到的电感电流，i(k,2)是第k个节拍第二个周期采样得到的电感电流。
在一些实施方式中，所述无差拍控制模块，基于所述参考电流和所述数个周期后的电感电流，进行无差拍处理，包括：基于所述参考电流和所述数个周期后的电感电流，按公式(2)计算，以得到下一个周期的所述占空比：
Figure BDA0002856911530000031
其中，d(k+1)为第k+1个周期的占空比，T为所述开关管的开关周期，vin为所述Boost变换器本体的输入电压，vo为所述Boost变换器本体的输出电压，L为所述分数阶电感的电感值，iref为所述参考电流，iest(k)为所述数个周期后的电感电流，k为当前周期数。
与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种开关电源，包括：以上所述的Boost变换器。
与上述开关电源相匹配，本发明再一方面提供一种Boost变换器的无差拍控制方法，包括：确定所述Boost变换器本体的输出电压与设定的参考电压是否相等；若所述Boost变换器本体的输出电压与设定的参考电压相等，则控制所述Boost变换器本体中的开关管的占空比维持当前值；若所述Boost变换器本体的输出电压与设定的参考电压不相等，则对所述Boost变换器本体中的开关管的占空比进行调节，以对所述Boost变换器本体的输出电压进行跟随控制。
由此，本发明的方案，通过使Boost变换器本体中的电感采用分数阶电感，且双闭环控制环节中采用内环无差拍控制方式和外环分数阶PI控制方式，通过采用分数阶电感、以及无差拍控制和分数阶PI控制，以提升Boost变换器的可靠性和稳定性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的Boost变换器的一实施例的结构示意图；
图2为一种分数阶Boost变换器的一实施例的结构示意图；
图3为分数阶电感的等效电路的一实施例的结构示意图；
图4为一种分数阶Boost变换器的无差拍控制方法的一实施例的流程示意图；
图5为本发明的无差拍控制方法的一实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种Boost变换器。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该Boost变换器可以包括：Boost变换器本体。所述Boost变换器本体，包括：电感和电容。
其中，在所述Boost变换器本体中，所述电感采用分数阶电感，所述电容采用整数阶电容。
所述Boost变换器本体的控制器为双闭环控制器。所述双闭环控制器，包括：外环控制器(如电压环控制器)和内环控制器(如电流环控制器)。所述外环控制器采用分数阶PI控制器，所述内环控制器采用无差拍控制器。也就是说，控制方法采用的双环控制，外环为电压控制，内环电流控制。电压环采用分数阶PI控制。电流环采用无差拍控制(dead-beatcontrol)。
具体地，针对电感元器件因损耗、饱和等原因，采用分数阶系统建模，分数阶电感采用Oustaloup滤波器逼近其特性；且由于Boost变换器(如Boost开关变换器)的时变及非线性特性，采用无差拍控制进行研究，提出了分数阶Boost的内环无差拍控制外环分数阶PI(即比例积分)控制的双环控制策略；通过采用分数阶电感、以及无差拍控制和分数阶PI控制，以提升Boost变换器的可靠性和稳定性。
在一些实施方式中，所述Boost变换器本体，还包括：二极管和开关管。
其中，在所述Boost变换器本体中，输入电源的正极，经所述分数阶电感后连接至所述二极管的阳极，所述二极管的阴极经所述分数阶电容后连接至所述输入电源的负极。
所述开关管的基极，连接至所述无差拍控制器。所述开关管的集电极，连接至所述二极管的阳极。所述开关管的发射极，连接至所述输入电源的负极。所述二极管的阴极，连接至所述分数阶PI控制器。
在一些实施方式中，所述分数阶电感的阶数为α，且0<α<1。所述分数阶PI控制器的控制方式是kp+ki/sα。kp是比例系数，ki是积分系数，s是分数阶微分算子。
具体地，电感电流连续模式下的分数阶Boost变换器，针对分数阶电感(阶数小于1)整数阶电容的Boost变换器，提出了分数阶Boost的内环无差拍控制，外环分数阶PI控制的双环控制策略。
分数阶Boost变换器中，电感L采用分数阶电感Lα，电容C采用整数阶电容C，电压环采用的分数阶PI控制。分数阶PI控制是kp+ki/sα。kp是比例系数，ki是积分系数，s是分数阶微分算子，α是分数阶电感的阶数。
在一些实施方式中，所述分数阶电感，包括：n个分数阶电感单元，n为正整数。每个所述分数阶电感单元，包括：电阻模块和电感模块，所述电感模块和所述电感模块并联设置。其中，在n≥2的情况下，n个所述分数阶电感单元串联设置。
具体地，分数阶电感的实现方法是利用拟合算法和元器件，在一定频带内拟合出具有分数阶特性的链式结构。采用在频域内进行运算的Oustaloup拟合算法，此算法简单直观，可以直接根据计算公式得到拟合整数阶传递函数，通过配置传递函数零极点，在一定的逼近频带内可以很好地实现对分数阶微积分算子的全局逼近。
在一些实施方式中，所述双闭环控制器，还包括：PWM调制单元。
其中，所述分数阶PI控制器，被配置为基于所述Boost变换器本体的输出电压(如分数阶Boost变换器的输出电压vo)与所述参考电压(如参考电压vref)的差值进行PI处理，得到参考电流(如参考电流iref)。
所述无差拍控制器，被配置为基于所述Boost变换器本体的电感电流与所述参考电流的差值进行无差拍处理，得到占空比。
所述PWM调制单元，被配置为基于所述占空比，输出PWM信号，以控制所述开关管。
在一些实施方式中，所述分数阶PI控制器，包括：比较模块和分数阶PI模块。
其中，所述比较模块的同相输入端，能够输入设定的参考电压。所述比较模块的反相输入端，能够输入所述Boost变换器本体的输出电压。所述二极管的阴极处的电压，为所述Boost变换器本体的输出电压。所述比较模块的输出端，能够将所述Boost变换器本体的输出电压与所述参考电压的差值，输出至所述分数阶PI模块。
所述分数阶PI模块，对所述Boost变换器本体的输出电压与所述参考电压的差值进行PI处理后，得到参考电流(如参考电流iref)。
具体地，通过计算分数阶Boost变换器的输出电压vo的测量值和参考电压vref的设定值，得到两者的偏差值Δv，两者的偏差值Δv通过电压环控制器得到参考电流iref。
在一些实施方式中，所述分数阶PI控制器，包括：比较模块和分数阶PI模块。所述无差拍控制器，包括：线性外插模块和无差拍控制模块。
其中，所述线性外插模块，被配置为基于所述Boost变换器本体的电感电流(如分数阶Boost变换器的电感电流iL)，进行线性外插处理，得到数个周期后的电感电流(如数个周期后的电感电流iest)。
具体地，分数阶Boost变换器采样电感电流iL，如分数阶Boost变换器实时测量电感电流iL。每个节拍包含两个具有相同占空比的开关周期，电流环控制器在每个周期的起始点进行电流采样，进而用相邻两个周期的采样电流进行线性外插，获得数个周期后的电感电流iest。
在一些实施方式中，所述线性外插模块，基于所述Boost变换器本体的电感电流(如分数阶Boost变换器的电感电流iL)，进行线性外插处理，包括：
在每个周期的起始点进行电感电流的采样，得到i(k,1)和i(k,2)。按公式(1)计算，以提前一个周期得到第k个节拍的电感电流，作为数个周期后的电感电流(如数个周期后的电感电流iest)：
iest(k)＝2i(k,2)-i(k,1) (1)。
其中，iest(k)是第k个节拍的电感电流，i(k,1)是第k个节拍第一个周期采样得到的电感电流，i(k,2)是第k个节拍第二个周期采样得到的电感电流。
具体地，电流环控制器在每个周期的起始点进行电流采样，得到i(k,1)和i(k,2)。i(k,1)是第k个节拍第一个周期的采样电流，i(k,2)是第k个节拍第二个周期的采样电流。由于每个节拍内两个周期的占空比相同，输入输出电压也可认为是恒定的，所以电流的变化量也相等。据此可进行线性外插，提前一个周期得到第k个节拍的电感电流iest(k)：
iest(k)＝2i(k,2)-i(k,1) (1)。
由于电感电流的估计提前了一个周期，所以有一个周期的持续时间可用于数字控制算法的计算。控制器根据当前周期的估计电流调整下个周期的占空比，从而将电感电流调整到参考值。该方法简单可靠，且有很好的鲁棒性，便于数字实现。
所述无差拍控制模块，被配置为基于所述参考电流(如参考电流iref)和所述数个周期后的电感电流(如数个周期后的电感电流iest)，进行无差拍处理，得到下一个周期的所述占空比。
在一些实施方式中，所述无差拍控制模块，基于所述参考电流(如参考电流iref)和所述数个周期后的电感电流(如数个周期后的电感电流iest)，进行无差拍处理，包括：基于所述参考电流(如参考电流iref)和所述数个周期后的电感电流(如数个周期后的电感电流iest)，按公式(2)计算，以得到下一个周期的所述占空比：
Figure BDA0002856911530000071
其中，d(k+1)为第k+1个周期的占空比，T为所述开关管的开关周期，vin为所述Boost变换器本体的输入电压，vo为所述Boost变换器本体的输出电压，L为所述分数阶电感的电感值，iref为所述参考电流，iest(k)为所述数个周期后的电感电流，k为当前周期数。
具体地，电流环控制器根据公式(1)进行电流估计，用第k个节拍的电感电流iest(k)代替第k+1个节拍第一个周期的采样电流i(k+1,1)，因而可提前一个周期获取电流信息。在进行电感电流估计后，电流环控制器按公式(2)，根据第k个节拍的电感电流iest(k)与参考电流iref之间的误差计算下个节拍的占空比d(k+1)：
Figure BDA0002856911530000081
公式(2)中，T为开关周期，d(k+1)为第k+1个周期的占空比，L为所述分数阶电感的电感值，k为当前节拍数。这样，电流环控制器根据当前周期的估计电流调整下个周期的占空比d(k+1)，从而将电感电流iL调整到参考值，该方法简单可靠，且有很好的鲁棒性，便于数字实现。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过使Boost变换器本体中的电感采用分数阶电感，且双闭环控制环节中采用内环无差拍控制方式和外环分数阶PI控制方式，通过采用分数阶电感、以及无差拍控制和分数阶PI控制，以提升Boost变换器的可靠性和稳定性。
根据本发明的实施例，还提供了对应于Boost变换器的一种开关电源。该开关电源可以包括：以上所述的Boost变换器。
数字无差拍电流模式控制通过线性外插的方式进行电流估计：将相邻两个周期的采样电流进行线性外插，进而在下个采样点到来之前，提前一个周期估计出电感电流。由于电感电流的估计提前了一个周期，所以有一个周期的持续时间可用于数字控制算法的计算。控制器根据当前周期的估计电流调整下个周期的占空比，从而将电感电流调整到参考值。该方法简单可靠，且有很好的鲁棒性，便于数字实现。
在一些实施方式中，本发明的方案，提供一种分数阶Boost(即升压变换器)变换器的无差拍控制方法及系统，针对电感元器件因损耗、饱和等原因，采用分数阶系统建模，分数阶电感采用Oustaloup滤波器逼近其特性；且由于Boost变换器(如Boost开关变换器)的时变及非线性特性，采用无差拍控制进行研究，提出了分数阶Boost的内环无差拍控制外环分数阶PI(即比例积分)控制的双环控制策略。
下面结合图2至图4所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。
图2为一种分数阶Boost变换器的一实施例的结构示意图。在图2所示的分数阶Boost变换器中，电感L采用分数阶电感Lα，电容C采用整数阶电容C，电压环采用的分数阶PI控制。而相关方案中，分数阶Boost变换器中，电感L采用整数阶电感，电压环采用整数阶PI控制。其中，整数阶PI控制是kp+ki/s，分数阶PI控制是kp+ki/sα。kp是比例系数，ki是积分系数，s是分数阶微分算子，α是分数阶电感的阶数。
在图2所示的分数阶Boost变换器中，输入电压为vin，分数阶电感为Lα，且满足0<α<1，整数阶电容为C，输出电压为vo，流过分数阶电感Lα的电流即电感电流为iL，流经电容C的电流为iC，负载电阻为R，开关S的占空比为d。
Boost变换器工作在电感电流连续模式下，其工作原理是：当开关S的开关信号＝1时，周期性脉冲信号Pw为高电平，开关管S导通，二极管Di承受反向电压而关断；当开关S的开关信号＝0时，周期性脉冲信号Pw为低电平，开关管S关断，二极管Di承受正向电压而导通。控制方法采用的双环控制，外环为电压控制，内环电流控制。电压环采用分数阶PI控制；电流环采用无差拍控制(dead-beat control)。其中，无差拍控制是离散控制理论的一种，是针对特定系统，要找到可以在最短时间内让输出进入稳态的输入信号。
在图2所示的例子中，双环控制系统，包括：比较器、分数阶PI控制模块、线性外插模块、无差拍控制模块和PWM调制模块。比较器的同相输入端输入参考电压vref，比较器的反相输入端输入分数阶Boost变换器的输出电压vo。比较器的输出端经分数阶PI模块后输出参考电流iref。分数阶Boost变换器的电感电流iL经线性外插模块后输出数个周期后的电感电流iest。参考电流iref和数个周期后的电感电流iest经无差拍控制模块后输出占空比d。占空比d经PWM调制模块后输出开关S的控制信号。
图3为分数阶电感的等效电路的一实施例的结构示意图。如图3所示，分数阶电感的等效电路，包括：电阻模块和电感模块并联形成n个分数阶电感单元，n个分数阶电感单元再串联设置，n为正整数。例如：电阻模块如电阻R1和电感模块如电感L1并联形成第一电感模块，电阻模块如电阻R2和电感模块如电感L2并联形成第二分数阶电感单元，等等；第一分数阶电感单元与第二分数阶电感单元串联。
分数阶电感的实现方法是利用拟合算法和元器件，在一定频带内拟合出具有分数阶特性的链式结构。本发明的方案中，采用在频域内进行运算的Oustaloup拟合算法，此算法简单直观，可以直接根据计算公式得到拟合整数阶传递函数，通过配置传递函数零极点，在一定的逼近频带内可以很好地实现对分数阶微积分算子的全局逼近。
本发明的方案，主要研究了电感电流连续模式下的分数阶Boost变换器，针对分数阶电感(阶数小于1)整数阶电容的Boost变换器，提出了分数阶Boost的内环无差拍控制，外环分数阶PI控制的双环控制策略。
图4为一种分数阶Boost变换器的无差拍控制方法的一实施例的流程示意图。如图4所示，分数阶Boost变换器的无差拍控制方法的流程，包括：
步骤1、分数阶Boost变换器采样电感电流iL，如分数阶Boost变换器实时测量电感电流iL。
步骤2、每个节拍包含两个具有相同占空比的开关周期，电流环控制器在每个周期的起始点进行电流采样，进而用相邻两个周期的采样电流进行线性外插，获得数个周期后的电感电流iest。
具体地，电流环控制器在每个周期的起始点进行电流采样，得到i(k,1)和i(k,2)。i(k,1)是第k个节拍第一个周期的采样电流，i(k,2)是第k个节拍第二个周期的采样电流。其中，每个节拍中包含一个以上周期。由于每个节拍内两个周期的占空比相同，输入输出电压也可认为是恒定的，所以电流的变化量也相等。据此可进行线性外插，提前一个周期得到第k个节拍的电感电流iest(k)：
iest(k)＝2i(k,2)-i(k,1) (1)。
步骤3、通过计算分数阶Boost变换器的输出电压vo的测量值和参考电压vref的设定值，得到两者的偏差值Δv，两者的偏差值Δv通过电压环控制器得到参考电流iref。
步骤4、电流环控制器根据公式(1)进行电流估计，用第k个节拍的电感电流iest(k)代替第k+1个节拍第一个周期的采样电流i(k+1,1)，因而可提前一个周期获取电流信息。在进行电感电流估计后，电流环控制器按公式(2)，根据第k个节拍的电感电流iest(k)与参考电流iref之间的误差计算下个节拍的占空比d(k+1)：
Figure BDA0002856911530000111
公式(2)中，T为开关周期，d(k+1)为第k+1个周期的占空比，L为所述分数阶电感的电感值，k为当前周期数。
这样，电流环控制器根据当前周期的估计电流调整下个周期的占空比d(k+1)，从而将电感电流iL调整到参考值，该方法简单可靠，且有很好的鲁棒性，便于数字实现。
步骤5、将分数阶Boost变换器的输出电压vo的测量值和参考电压vref的设定值进行比较，不断调节开关器件(如开关S)的占空比d，使开关S的开关控制量在一个开关周期内准确跟随控制基准，达到输出电压稳定。当输出电压vo的测量值小于参考电压vref的设定值时，则将开关器件的占空比调大，以使输出电压vo的测量值取向参考电压vref的设定值。
由于本实施例的开关电源所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过使Boost变换器本体中的电感采用分数阶电感，且双闭环控制环节中采用内环无差拍控制方式和外环分数阶PI控制方式，能够提升Boost变换器的可靠性和稳定性。
根据本发明的实施例，还提供了对应于开关电源的一种Boost变换器的无差拍控制方法，如图5所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。该Boost变换器的无差拍控制方法可以包括：步骤S110至步骤S130。
在步骤S110处，确定所述Boost变换器本体的输出电压与设定的参考电压是否相等；
在步骤S120处，若所述Boost变换器本体的输出电压与设定的参考电压相等，则控制所述Boost变换器本体中的开关管的占空比维持当前值；
在步骤S130处，若所述Boost变换器本体的输出电压与设定的参考电压不相等，则对所述Boost变换器本体中的开关管的占空比进行调节，以对所述Boost变换器本体的输出电压进行跟随控制。
具体地，将分数阶Boost变换器的输出电压vo的测量值和参考电压vref的设定值进行比较，不断调节开关器件(如开关S)的占空比d，使开关S的开关控制量在一个开关周期内准确跟随控制基准，达到输出电压稳定。当输出电压vo的测量值小于参考电压vref的设定值时，则将开关器件的占空比调大，以使输出电压vo的测量值取向参考电压vref的设定值。
由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述开关电源的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过使Boost变换器本体中的电感采用分数阶电感，且双闭环控制环节中采用内环无差拍控制方式和外环分数阶PI控制方式，具有很好的鲁棒性，且控制效率高。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种Boost变换器，其特征在于，包括：Boost变换器本体；所述Boost变换器本体，包括：电感和电容；其中，
在所述Boost变换器本体中，所述电感采用分数阶电感，所述电容采用整数阶电容；
所述Boost变换器本体的控制器为双闭环控制器；所述双闭环控制器，包括：外环控制器和内环控制器；所述外环控制器采用分数阶PI控制器，所述内环控制器采用无差拍控制器。
2.根据权利要求1所述的Boost变换器，其特征在于，所述Boost变换器本体，还包括：二极管和开关管；其中，
在所述Boost变换器本体中，输入电源的正极，经所述分数阶电感后连接至所述二极管的阳极，所述二极管的阴极经所述分数阶电容后连接至所述输入电源的负极；
所述开关管的基极，连接至所述无差拍控制器；所述开关管的集电极，连接至所述二极管的阳极；所述开关管的发射极，连接至所述输入电源的负极；所述二极管的阴极，连接至所述分数阶PI控制器。
3.根据权利要求2所述的Boost变换器，其特征在于，所述分数阶电感的阶数为α，且0<α<1；
所述分数阶PI控制器的控制方式是kp+ki/sα；kp是比例系数，ki是积分系数，s是分数阶微分算子。
4.根据权利要求3所述的Boost变换器，其特征在于，所述分数阶电感，包括：n个分数阶电感单元，n为正整数；每个所述分数阶电感单元，包括：电阻模块和电感模块，所述电感模块和所述电感模块并联设置；
其中，在n≥2的情况下，n个所述分数阶电感单元串联设置。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的Boost变换器，其特征在于，所述双闭环控制器，还包括：PWM调制单元；
所述分数阶PI控制器，被配置为基于所述Boost变换器本体的输出电压与所述参考电压的差值进行PI处理，得到参考电流；
所述无差拍控制器，被配置为基于所述Boost变换器本体的电感电流与所述参考电流的差值进行无差拍处理，得到占空比；
所述PWM调制单元，被配置为基于所述占空比，输出PWM信号，以控制所述开关管。
6.根据权利要求5所述的Boost变换器，其特征在于，所述分数阶PI控制器，包括：比较模块和分数阶PI模块；其中，
所述比较模块的同相输入端，能够输入设定的参考电压；所述比较模块的反相输入端，能够输入所述Boost变换器本体的输出电压；所述二极管的阴极处的电压，为所述Boost变换器本体的输出电压；所述比较模块的输出端，能够将所述Boost变换器本体的输出电压与所述参考电压的差值，输出至所述分数阶PI模块；
所述分数阶PI模块，对所述Boost变换器本体的输出电压与所述参考电压的差值进行PI处理后，得到参考电流。
7.根据权利要求5所述的Boost变换器，其特征在于，所述分数阶PI控制器，包括：比较模块和分数阶PI模块；所述无差拍控制器，包括：线性外插模块和无差拍控制模块；其中，
所述线性外插模块，被配置为基于所述Boost变换器本体的电感电流，进行线性外插处理，得到数个周期后的电感电流；
所述无差拍控制模块，被配置为基于所述参考电流和所述数个周期后的电感电流，进行无差拍处理，得到下一个周期的所述占空比。
8.根据权利要求7所述的Boost变换器，其特征在于，所述线性外插模块，基于所述Boost变换器本体的电感电流，进行线性外插处理，包括：
在每个周期的起始点进行电感电流的采样，得到i(k,1)和i(k,2)；按公式(1)计算，以提前一个周期得到第k个节拍的电感电流，作为数个周期后的电感电流：
iest(k)＝2i(k,2)-i(k,1) (1)；
其中，iest(k)是第k个节拍的电感电流，i(k,1)是第k个节拍第一个周期采样得到的电感电流，i(k,2)是第k个节拍第二个周期采样得到的电感电流。
9.根据权利要求7所述的Boost变换器，其特征在于，所述无差拍控制模块，基于所述参考电流和所述数个周期后的电感电流，进行无差拍处理，包括：
基于所述参考电流和所述数个周期后的电感电流，按公式(2)计算，以得到下一个周期的所述占空比：
Figure FDA0002856911520000031
其中，d(k+1)为第k+1个周期的占空比，T为所述开关管的开关周期，vin为所述Boost变换器本体的输入电压，vo为所述Boost变换器本体的输出电压，L为所述分数阶电感的电感值，iref为所述参考电流，iest(k)为所述数个周期后的电感电流，k为当前周期数。
10.一种开关电源，其特征在于，包括：如权利要求1至9中任一项所述的Boost变换器。
11.一种如权利要求1至9中任一项所述的Boost变换器的无差拍控制方法，其特征在于，包括：
确定所述Boost变换器本体的输出电压与设定的参考电压是否相等；
若所述Boost变换器本体的输出电压与设定的参考电压相等，则控制所述Boost变换器本体中的开关管的占空比维持当前值；
若所述Boost变换器本体的输出电压与设定的参考电压不相等，则对所述Boost变换器本体中的开关管的占空比进行调节，以对所述Boost变换器本体的输出电压进行跟随控制。
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