CN116317575A - 基于四开关Buck-Boost的三模式自适应控制占空比在线优化效率控制方法 - Google Patents

基于四开关Buck-Boost的三模式自适应控制占空比在线优化效率控制方法 Download PDF

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Abstract

发明名称基于四开关Buck‑Boost的三模式自适应控制占空比在线优化效率控制方法摘要本发明的目的在于提供了一种基于四开关Buck‑Boost的三模式自适应控制占空比在线优化效率控制方法，属于电力电子技术领域。当输出功率恒定时，令变换器工作于一种三模式状态运行，将该变换器中的两相占空比以及相位差三个变量缩小至单个变量控制。本发明采用了PI控制器使输出电压稳定，运用了最速下降法实现自适应步长的目的，快速有效的调整B相控制脉冲的占空比，搜寻运行效率最高所对应的控制占空比，获取输入电流最小值，有效的提高了输出功率恒定下的变换器的运行效率。

Description

基于四开关Buck-Boost的三模式自适应控制占空比在线优化 效率控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于四开关Buck-Boost变换器的效率优化控制方法和装置。
背景技术
随着当前汽车行业的不断发展，其行业内传统的线性稳压器正逐渐被高效直流变换器所取代。随着转化器数量的不断增加，变换器的拓扑结构的选择对效率的提高将对汽车能耗产生重大影响。随着集成电路的不断发展，电路的集成度越来越高，所以变换器的拓扑结构要么与具有低电感值的小型外部磁性元件耦合，要么甚至与封装级的微电感器集成。如果使用小电感具有导致更高电流纹波和随之而来的传导损耗的典型缺点，那么从完全集成的设计角度来看，具有更多开关数量的转换拓扑成为一个可行的选择，并引入额外的自由度，可以方便地用于性能优化目的。在这种和其他负载点场景中，对低尺寸解决方案的需求刺激了强集成、高频拓扑结构的发展，因此自然集成电路对供电电源的要求也不断提高，要求供电电源越来越高效率。而四开关Buck-Boost作为一种非隔离型的升降压直流变换器，其特点有电路结构简单，开关器件具有高电压应力。
如何提高变换器的效率也是研究者不断探讨的问题，所以本发明探索了Buck-Boost直流变换器不同桥臂的控制脉冲的占空比以及桥臂控制脉冲间相位差与运行效率之间的关系，并提出了一种自适应步长寻优控制策略来提高变换器的效率，使Buck-Boost工作于一种三模式工作状态，有效的提高了变换器的运行效率。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种三模式自适应控制占空比在线优化控制。对于四开关Buck-Boost开关模型提出了自适应控制算法调节两个半桥的占空比Da、Db以及控制脉冲相位差
Figure BDA0004113979300000011
三个变量。使变换器工作在一种三模式状态下，该模式下，A、B脉冲的开始时刻相同，而相位差由A、B脉冲自动确定。当输出功率恒定时，调节Db的值后通过PI调节Da的值使输出功率恒定，对应着一个变换器效率。在每个周期内，调整B桥臂控制脉冲的占空比Db，即通过自适应步长控制占空比Db来寻优最小输入电流值即能寻优到最高效率点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于四开关Buck-Boost变换器的自适应控制优化效率控制方法，包括以下步骤：
步骤1：采样当前的输入电感电流Iin(k)，计判断是否为第一个周期Db值下的电流采样值。如果是第一个周期，执行步骤2；否则执行步骤3；
其中，Iin(k)表示的是第k个算法周期输入电流值。当输出功率恒定，输入电压也恒定情况下，输入电流值越小，变换器的运行效率越高。因此，可以通过寻找输入电流的最小值达到变换器运行效率最高的目的。
步骤2：对B相桥臂占空比Db值调整一个常数值C。然后执行步骤5；
其中，常数值C较小，目的对Db进行微小的变化，以获取下一周期的梯度值。
步骤3：根据上一周期的占空比和输入电流，以及当前占空比和输入电流计算当前电感电流对占空比的梯度值
Figure BDA0004113979300000012
然后执行步骤4；
其中，梯度值
Figure BDA0004113979300000013
的计算公式为：
Figure BDA0004113979300000014
上式中，
ΔIin＝Iin(k-Iin(k-1)，ΔDb＝Db(k)-Db(k-1)；
步骤4：以当前周期计算得到的梯度值，计算B桥臂占空比的调整步长为
Figure BDA0004113979300000021
然后执行步骤5；
其中，λ为步长参数，为一固定常数值，依据变换器功率的量级进行调整。变换器功率越大，λ越小，反之λ越大。
步骤5：对当前B相占空比Db，减去计算得到的调整步长，得到下一控制周期的B相桥臂占空比，然后执行步骤6；
其中，
Figure BDA0004113979300000022
上式中，Db(k+1)为下一周期的B相桥臂控制脉冲，Db(k)为当前周期的控制脉冲，下一周期控制脉冲为当前脉冲沿梯度方向下降一个步长。
步骤6：以当前Db控制B相桥臂，通过PI控制调节A相占空比Da使输出电压恒定。因A、B相的控制脉冲电压的起始时刻相同，因此相位差
Figure BDA0004113979300000029
能够自动的确定，其中，相位差
Figure BDA0004113979300000023
然后执行步骤7；
上式中，因为此时四开关Buck-Boost工作在三模态模式下，此时的Va和Vb的开关时刻相同，所以不同的(Da，Db)组合对应着不同的相位差
Figure BDA0004113979300000024
，当因为其运行特性，所以/>
Figure BDA0004113979300000025
与Da、Db存在着上述固定关系。
步骤7：在输出功率恒定下，以当前Da和Db值运行一个周期，周期数加一，然后执行步骤1；
其中，Db在确定后，在通过PI调节使输出功率恒定的情况下，Da也稳定在一确定值，以当前稳定Da、Db值控制第k+1算法周期的变换器运行，并令k＝k+1。
进一步地，上述Buck-Boost变换器的拓扑结构包括下述装置:电感(L)、输入稳压电容(C1)、输出稳压电容(C2)、四个Mosfet开关管(S1、S2、S3、S4)、输出电阻(R)、输入电源(Vin)；四个Mosfet管两两组合成半桥后通过电感并联，两个半桥的下端与电源负极相连，输出电容C2与输出电阻并联。
进一步地，所述Buck-Boost变换稳态工作时，工作于电感电流连续导通模式(CCM)。
进一步地，变换器B相控制占空比Db的调整方向为负梯度方向，该方向下降速度最快。
进一步地，该算法是基于变换器的输出电压恒定下进行的，通过PI调节使输出电压恒定，那么输出功率恒定。
综上所述，在采用了上述技术方案后，本发明取得的有益效果如下：
1.本发明基于四开关Buck-Boost开关模型提出了自适应控制算法调节Da、Db以及
Figure BDA0004113979300000026
三个变量，实现了一种变换器以起始时刻相同三模式下的效率寻优。由于该工作模式下的特征，该问题转化为调节Db求得输入功率的最小值，也就是输入电流Iin的最小值。成功的将三个变量问题减少到单变量极值问题。基于该问题，采用了一种自适应控制算法来寻优最优Db值，并且通过PI调节Da使输出功率恒定，而/>
Figure BDA0004113979300000027
值由该工作模式下的/>
Figure BDA0004113979300000028
计算得到。
2.本发明发现了一种工作模态下，占空比与变换器效率之间的关系。并运用离散最速下降法寻找输入电流的极小值点，该算法具有速度快，步长自适应调节的特点，能够有效寻优到Buck-Boost变换器运行效率最高点。
附图说明
图1为升降压变换器的结构示意图。
图2为Buck-Boost变换器的输出电压小于输入电压工作模态图。
图3为Buck-Boost变换器的输出电压大于输入电压工作模态图。
图4为该自适应控制效率寻优的流程图。
图5为Va、Vb都开通时的导通状态。
图6为Va关断，Vb开通时的电路导通状态。
图7为Va导通，Vb关断时的电路导通状态。
图8为Va、Vb都关断时的电路导通状态。
图9是20V输入，输出恒定至10V，输出负载Ro＝15Ω时的算法控制Db与输入电流Iin。
图10为20V输入，输出恒定至10V，输出负载Ro＝15Ω时的通过PI调节的输出电压Vo。
图11为20V输入，输出恒定至10V，输出负载Ro＝12Ω时的算法控制Db与输入电流Iin。
图12为20V输入，输出恒定至10V，输出负载Ro＝12Ω时，通过PI调节的输出电压Vo。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于该领域的技术人员更好的理解本发明。
本发明提出的自适应控制算法针对于四开关Buck-Boost变换器，与一般Buck-Boost变换器不同，其控制脉冲相位差并非相差180°，而是可以相差任意角度。其控制每个桥臂的Va、Vb的占空比Da、Db也可以任意组合。令Va、Vb的导通时刻相同，当变换器工作在上述模式下时，相位差可由两者占空比确定，即
Figure BDA0004113979300000031
另外，通过PI调节Da使输出电压恒定，这时，只要调整Vb的占空比Db，就能通过PI调节Da稳定至一定值，因此，相位差就自然确定下来。
Buck-Boost变换器的拓扑结构如图1所示，包括下述装置:电感(L)、输入稳压电容(C1)、输出稳压电容(C2)、四个Mosfet开关管(S1、S2、S3、S4)、输出电阻(R)、输入电源(Vin)；
图2描述了本发明提出变换器输出电压小于输入电压时的运行模式，如图中所示。此时输出电压小于输入电压，Va、Vb的控制脉冲导通时刻相同。当S1、S4导通时，电感电流上升，此时电路状态如图5所示，当S1关断，S4开通时，电感电流下降，此时电路状态如图6所示。当S1、S4都关断时，电感电流保持不变，此时电路状态如图8所示。
图3描述了本发明提出变换器输出电压大于输入电压时的运行模式，如图中所示。此时输出电压大于输入电压，Va、Vb的控制脉冲导通时刻相同。当S1、S4导通时，电感和电源对输出负载充电，电感电流下降，此时电路状态如图5所示，当S1导通，S4关断时，电源对电感充电，电感电流上升，此时电路状态如图7所示。当S1、S4都关断时，电感电流保持不变，此时电路状态如图8所示。
图4描述了基于上述运行模式下的自适应控制效率寻优的流程图，首先控制算法将初始值设置k＝1以及Db初始占空比，检测第k次采样电路输入电流，如果K＝1，对Db进行微调一个常数值C，然后输出下一控制周期的Db(k+1),令k＝k+1，以当前Db进行控制，通过PI调节环调节Va占空比Da使输出功率恒定，然后进入下一次循环；
图4中如果k不等于1，则通过上一周期的采样电流值Iin(k-1)和Db(k-1)值和当前周期的采样电流值Iin(k)和Db(k)值计算k时刻的梯度值。根据电流梯度值计算Db的调整步长，得到(k+1)周期的Db(k+1)并输出，令k＝k+1，以当前Db控制Vb,通过PI调节Da使输出功率恒定，然后进入下一个周期循环。
图9描述了20V输入，输出恒定至10V，输出负载Ro＝15Ω时的算法控制Db与输入电流Iin。算法设置的周期为0.2秒，从图10中可以看到0.2s内，每一次Db调整后，通过PI调节输出电压恒定所需的时间小于0.2s。即能够在下一次自适应控制算法运行时刻前，使输出功率恒定，并寻找到此时对应的Da以及
Figure BDA0004113979300000041
。从图9上部分图中还可以看到随着Db的不断调整，其输入电流Iin不断下降。输入电流最小值为0.353A，Db为0.56左右。可以看到算法快速根据梯度值进行调节，并收敛到最小电流值。其效率有效提高到了94.3％。
图10描述了20V输入，输出恒定至10V，输出负载Ro＝12Ω时的算法控制Db与输入电流Iin。算法设置的周期同样为0.2秒，从图10中可以看到0.2s内，每一次Db调整后，通过PI调节输出电压恒定所需的时间小于0.2s。即能够在下一次自适应控制算法运行时刻前，使输出功率恒定，并寻找到此时对应的Da以及
Figure BDA0004113979300000042
。从图12上部分图中还可以看到随着Db的不断调整，其输入电流Iin不断下降。输入电流最小值为0.49A，Db为0.4左右。可以看到算法快速根据梯度值进行调节Db，并收敛到最小电流值。其效率有效提高到了85％。
图11为输出电压Vo的波形，可以看出当四开关Buck-Boost变换器运行于图9负载下自适应最速下降算法调节Db时，通过PI控制器能够调节Da使输出电压恒定。
图12为输出电压Vo的波形，可以看出当四开关Buck-Boost变换器运行于图10负载下自适应最速下降算法调节Db时，通过PI控制器能够调节Da使输出电压恒定。

Claims (7)

1.一种基于四开关Buck-Boost变换器的自适应控制优化效率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采样当前的输入电感电流Iin(k)，计判断是否为第一个周期Db值下的电流采样值。如果是第一个周期，执行步骤2；否则执行步骤3；
其中，Iin(k)表示的是第k个算法周期输入电流值。当输出功率恒定，输入电压也恒定情况下，输入电流值越小，变换器的运行效率越高。因此，可以通过寻找输入电流的最小值达到变换器运行效率最高的目的。
步骤2：对B相桥臂占空比Db值调整一个常数值C。然后执行步骤5；
其中，常数值C较小，目的对Db进行微小的变化，以获取下一周期的梯度值。
步骤3：根据上一周期的占空比和输入电流，以及当前占空比和输入电流计算当前电感电流对占空比的梯度值
Figure FDA0004113979290000011
然后执行步骤4；
其中，梯度值
Figure FDA0004113979290000012
的计算公式为：/>
Figure FDA0004113979290000013
上式中，ΔIin＝Iin(k)-Iin(k-1)，ΔDb＝Db(k)-Db(k-1)；
步骤4：以当前周期计算得到的梯度值，计算B桥臂占空比的调整步长为
Figure FDA0004113979290000014
然后执行步骤5；
其中，λ为步长参数，为一固定常数值，依据变换器功率的量级进行调整。变换器功率越大，λ越小，反之λ越大。
步骤5：对当前B相占空比Db，减去计算得到的调整步长，得到下一控制周期的B相桥臂占空比，然后执行步骤6；
其中，
Figure FDA0004113979290000015
上式中，Db(k+1)为下一周期的B相桥臂控制脉冲，Db(k)为当前周期的控制脉冲，下一周期控制脉冲为当前脉冲沿梯度方向下降一个步长。
步骤6：以当前Db控制B相桥臂，通过PI控制调节A相占空比Da使输出电压恒定。因A、B相的控制脉冲电压的起始时刻相同，因此相位差
Figure FDA0004113979290000016
能够自动的确定，其中，相位差/>
Figure FDA0004113979290000017
然后执行步骤7
上式中，因为此时四开关Buck-Boost工作在三模态模式下，此时的Va和Vb的开关时刻相同，所以不同的(Da，Db)组合对应着不同的相位差
Figure FDA0004113979290000018
当因为其运行特性，所以/>
Figure FDA0004113979290000019
与Da、Db存在着上述固定关系。
步骤7：在输出功率恒定下，以当前Da和Db值运行一个周期，周期数加一，然后执行步骤1；
其中，Db在确定后，在通过PI调节使输出功率恒定的情况下，Da也稳定在一确定值，以当前稳定Da、Db值控制第K+1算法周期的变换器运行，并令K＝K+1。
2.如权利要求1所述的自适应控制优化效率控制方法，其特征在于，上述Buck-Boost变换器的拓扑结构包括下述装置:电感(L)、输入稳压电容(C1)、输出稳压电容(C2)、四个Mosfet开关管(S1、S2、S3、S4)、输出电阻(R)、输入电源(Vin)；四个Mosfet管两两组合成半桥后通过电感并联，两个半桥的下端与电源负极相连，输出电容C2与输出电阻并联。
3.如权利要求1所述的自适应控制优化效率控制方法，其特征在于，Buck-Boost变换稳态工作于电感电流连续导通模式(CCM)。
4.如权利要求1所述的自适应控制优化效率控制方法，其特征在于，变换器B相控制占空比Db的调整方向为负梯度方向，该方向下降速度最快。
5.如权利要求1所述的自适应控制优化效率控制方法，其特征在于，该算法是基于变换器的输出电压恒定下进行的，运用PI调节使输出电压恒定。
6.如权利要求1所述的自适应控制优化效率控制方法，其特征在于，实现了一种变换器以起始时刻相同三模式下的效率寻优。由于该工作模式下的特征，该问题转化为调节Db求得输入功率的最小值，也就是输入电流Iin的最小值。成功的将三个变量问题减少到单变量极值问题。基于该问题，采用了一种自适应控制算法来寻优最优Db值，并且通过PI调节Da使输出功率恒定，而
Figure FDA0004113979290000021
值由该工作模式下的/>
Figure FDA0004113979290000022
计算得到。
7.如权利要求1所述的自适应控制优化效率控制方法，其特征在于，运用离散最速下降法寻找输入电流的极小值点，该算法具有速度快，步长自适应调节的特点，能够有效寻优到Buck-Boost变换器运行效率最高点。
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