三电平DC‑DC buck变换器的二阶滑模控制及飞跨电容电压平衡方法技术

本发明专利技术提出了一种三电平DC‑DC buck变换器的二阶滑模控制及飞跨电容电压平衡方法。包括：步骤1，三电平DC‑DC buck变换器的二阶滑模控制系统的搭建和模态分析；步骤2，基于二阶滑模控制理论对输出电压进行控制同时对飞跨电容电压进行解耦控制；步骤3，基于有限状态机实现方法对其进行有效、快速且稳定的控制。

【技术实现步骤摘要】
三电平DC-DCbuck变换器的二阶滑模控制及飞跨电容电压平衡方法
本专利技术涉及自动化控制领域，尤其涉及一种三电平DC-DCbuck变换器的二阶滑模控制及飞跨电容电压平衡方法。
技术介绍
高电压输入、中大功率输出的应用场合越来越多，而功率开关器件的耐压和载流能力却没有取得大的突破，传统两电平Buck直流变换器难以满足高压大功率电能变换要求，但是多电平Buck直流变换器能解决这一难题。三电平Buck直流变换器相对于传统的两电平Buck直流变换器有着诸多优势：开关管上承受的电压应力减半、有效切换频率为开关频率2倍、滤波电感、电容尺寸更小以及能量密度更高。然而，三电平Buck直流变换器是典型的非线性系统，开关数目多，在多个模态间切换工作，输出电压与飞跨电容电压耦合，控制难度大。虽然现有技术中利用二阶滑模控制方法对传统buck变换器进行控制，但是对三电平DC-DCbuck变换器而言，能够实现二阶滑模控制方法调节输出电压的同时平衡飞跨电容电压的技术尚属空白，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种三电平DC-D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电平DC‑DC buck变换器的二阶滑模控制及飞跨电容电压平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，三电平DC‑DC buck变换器的二阶滑模控制系统的搭建和模态分析；S2，基于二阶滑模控制理论对输出电压进行控制同时对飞跨电容电压进行解耦控制；S3，基于有限状态机实现方法对其进行有效、快速且稳定的控制。

【技术特征摘要】
1.一种三电平DC-DCbuck变换器的二阶滑模控制及飞跨电容电压平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，三电平DC-DCbuck变换器的二阶滑模控制系统的搭建和模态分析；S2，基于二阶滑模控制理论对输出电压进行控制同时对飞跨电容电压进行解耦控制；S3，基于有限状态机实现方法对其进行有效、快速且稳定的控制。2.根据权利要求1所述的三电平DC-DCbuck变换器的二阶滑模控制及飞跨电容电压平衡方法，其特征在于，所述S1包括：三电平Buck直流变换器拓扑如图1所示。其中，Vin是输入电压，vo是输出电压(Vref是输出电压参考值)，vcf是飞跨电容电压，iL是电感电流，g1，g2，g3，g4是4个可控开关管，Cf是飞跨电容，R是电阻负载，L和C分别是滤波电感和滤波电容。三电平Buck直流变换器工作模态可以被分为如图2A、图2B、图2C、图2D所示的4个模态：Mode1：g2、g4导通而g1、g3断开，vlev＝0；Mode2：g1、g4导通而g2、g3断开，飞跨电容被充电，vlev＝Vin-vcf；Mode3：g2、g3导通而g1、g4断开，飞跨电容被放电，vlev＝vcf；Mode4：g1、g3导通而g2、g4断开，vlev＝vin。g1和g2互补导通，g3和g4互补导通，所以4个开关管可以分为两组组内互补导通的开关管，(g1，g2)和(g3，g4)。3.根据权利要求1所述的三电平DC-DCbuck变换器的二阶滑模控制及飞跨电容电压平衡方法，其特征在于，所述S2包括：建立三电平Buck直流变换器的数学模型如下：其中，K和vlev是三电平Buck直流变换器工作模态的函数。定义输出电压误差为第一个滑模量，即s＝vo-Vref，定义滑模面为滑模量s的一阶导数表示如下：s的二阶导数表示如下：根据以上两个式子，滑模量s的动态方程如下：考虑到负载R在范围(0，∞)内，那么上式是有阻尼的动态方程；而无阻尼的情形，即变换器无负载，更便于分析。在变换器无负载的情形，以对标准化，上式可以被简化为：Mode1时vlev＝0，根据过点(sm，0)的轨迹用下面的圆来表示：Mode2时vlev＝Vin-vcf，过点(sm，0)的轨迹用下面的圆来表示：Mode3时vlev＝vcf，过点(sm，0)的轨迹用下面的圆来表示：Mode4时vlev＝Vin，过点(sm，0)的轨迹用下面的圆来表示：先考虑Vref/Vin＜0.5的情况，为了得到快速无超调的启动过程，输出电压的最优相轨迹是仅在一次切换动作后就能到达原点。考虑从平面的左侧和右侧起始的启动过程，如图3所示。根据公式(5)(6)，得到在平面左半平面中Mode2切换到Mode1的最优相轨迹对应的最优切换系数βNmin21表达式：根据公式(5)，(7)，得到在平面左半平面中Mode3切换到Mode1的最优相轨迹对应的最优切换系数βNmin31表达式：根据公式(5)，(6)，得到在平面右半平面中Mode1切换到Mode2的最优相轨迹对应的最优切换系数βPmin12表达式：根据公式(5)，(7)，得到在平面右半平面中Mode1切换到Mode3的最优相轨迹对应的最优切换系数βPmin13表达式：同理，对于Vref/Vin＞0.5的情况进行相似的分析：从Mode4切换到Mode2的最优相轨迹对应的最优切换系数βNmin42表达式：从Mode4切换到Mode3的最优相轨迹对应的最优切换系数βNmin43表达式：从Mode2切换到Mode4的最优相轨迹对应的最优切换系数βPmin24表达式：从Mode3切换到Mode4的最优相轨迹对应的最优切换系数βPmin34表达式：这八个最优切换系数都是与从起始点仅经过一次切换动作就到达原点的最优相轨迹所对应的值，决定了状态平面中的轨迹不能穿越纵轴且都小于1所以这...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌睿，张腾，胡睿，王峰，刘金平，刘辉，杨常浩，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50