三电平DC‑DC buck变换器的分段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变换器的分段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变换器的分段滑模控制系统的搭建和模态分析；步骤2，基于分段滑模控制理论对输出电压进行控制同时平衡飞跨电容电压；步骤3，基于分段滑模控制方法对其进行有效、快速且稳定的控制。

Piecewise sliding mode control and flying capacitor voltage balancing method for three level DC DC buck converter

The invention provides a piecewise sliding mode control and flying capacitor voltage balancing method for three level DC DC buck converter. Including: Step 1, build and modal analysis piecewise sliding mode control system of three level DC DC buck converter; step 2, piecewise sliding mode control theory to control the output voltage and capacitor voltage based on the balance of flying; step 3, control method is effective, the piecewise sliding mode for fast and stable based on.

【技术实现步骤摘要】
三电平DC-DCbuck变换器的分段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变换器的分段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，能够实现分段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-DCbuck变换器的分段滑模控制及飞跨电容电压平衡方法。为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供了一种同时实现快速调节输出电压和平衡飞跨电容电压两个控制目标的分段滑膜控制方法，该控制方法实现了输出电压控制和飞跨电容电压控制的解耦。本专利技术公开一种三电平DC-DCbuck变换器的分段滑模控制及飞跨电容电压平衡方法，包括如下步骤：S1，三电平DC-DCbuck变换器的分段滑模控制系统的搭建和模态分析；S2，基于分段滑模控制理论对输出电压进行控制同时平衡飞跨电容电压；S3，基于分段滑膜控制方法对其进行有效、快速且稳定的控制。所述的三电平DC-DCbuck变换器的分段滑模控制及飞跨电容电压平衡方法，优选的，所述S1包括：三电平DC-DCbuck变换器拓扑，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能够被分为4个模态：模态1：g2、g4导通而g1、g3断开，vlef＝0；模态2：g1、g4导通而g2、g3断开，飞跨电容被充电，vlev＝Vin-vcf；模态3：g2、g3导通而g1、g4断开，飞跨电容被放电，vlev＝vcf；模态4：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个开关管能够分为两组组内互补导通的开关管，(g1，g2)和(g3，g4)。所述的三电平DC-DCbuck变换器的分段滑模控制及飞跨电容电压平衡方法，优选的，所述S2包括：采用滑模控制的分段设计。在充电阶段，三电平降压变换器将工作在“两电平”模式，这意味着变换器仅包含模态1和模态2，同时，PI控制器和脉宽调制器2不工作，也就是ΔD＝0和u3＝0。因此，飞跨电容只能被充电而不能放电，这减小了充电阶段的时间。当Vref/Vin＜0.5时，变换器被描述为：当u＝0意味着g1，g3关断且g2，g4导通(模态1)，而u＝1意味着g1和g3其中只有一个关断(模态2或模态3)；当Vref/Vin＞0.5时，变换器被描述为：当u＝1意味着g1，g3开通且g2，g4关断(模态4)，而u＝0意味着g1和g3其中只有一个开通(模态2或模态3)。定义输出电压误差e＝Vref·vo，其一阶倒数和它的积分项∫edt作为模态变量，当Vref/Vin＜0.5时的模态模型能够从如下的方程中得出：当Vref/Vin＞0.5时的模态模型从如下的方程中得出：其中大多数之前提出的用于降压变换器的滑模式电压控制器总是选择作为滑膜面，其仅涉及电压误差及其一阶导数。为了减小系统的稳态误差，错误的积分项∫edt被加到滑膜面中。滑模变量被定义为：其中K＝[k1，k2，k3]，k1，k2，k3＞0。s的一阶导被表示为：滑模运行的存在条件是这确保了滑动面的可达性，能够用如下方式表述：当系统进入滑动面时，等效轨迹表示为：f、g代表向量，上述指出s为滑膜量，然后，等效控制信号uεq表示为：通过公式替代和引入，当Vref/Vin＜0.5时的等效控制信号表示为：当Vref/Vin＞0.5时的等效控制信号表示为：在滑动模态面，滑模控制的等效控制信号uεq和PWM控制方法的占空比d等效。输出电压是通过在vlev＝Vin-vcf和vlev＝0之间切换产生的。当Vref/Vin＜0.5时定义d1为占空比，当Vref/Vin＞0.5时定义d2为占空比，默认ueq1＝d1和ueq2＝d2，根据每对互补开关管的占空比D和d1或d2之间的关系，分别表示为：分别进行公式替代和引入，不管Vref/Vin＜0.5或Vref/Vin＞0.5，D有相同的表达式：飞跨电容在从0V充电到其期望电压值Vin/2的充电阶段中，某些开关管上的电压应力将会增加，这意味着充电阶段应该尽快完成。在充电阶段，分段滑膜控制系统的基本结构，飞跨电容只能被充电而不能放电，这保证了充电阶段尽快完成；对三电平Buck直流变换器的控制有两个控制目的，即快速调节输出电压跟踪其参考值Vref和将飞跨电容电压平衡在Vin/2。对于“两电平”模式，能够进行相同的分析并且(g1，g2)这对互补的开关管的占空比表示为：控制器直到vcf＞Vin/2保持图7中的结构。一旦Vcf首次高于Vin/2，分段滑模控制策略被切换到交错PWM滑模控制。所述的三电平DC-DCbuck变换器的分段滑模控制及飞跨电容电压平衡方法，优选的，所述S3包括：理论上，如果4个开关管特性相同，且两组组内互补导通的开关管(g1，g2)和(g3，g4)的驱动信号为占空比完全相同、相位差180度的PWM信号，则飞跨电容电压能够被自动平衡到，这被称为飞跨电容的自动调节特性。但是实际电路情况是复杂的，使得飞跨电容电压难以自动平衡，需要对飞跨电容电压实施控制。为了分析三电平Buck直流变换器工作原理的方便，作出如下假设：飞跨电容电压已经被稳定在输入电压的1/2；飞跨电容、滤波电感、滤波电容均为理想元件；滤波电容的电容值足够大，输出电压的纹波能够忽略，输出电压能够被看作恒值电压；两组组内互补导通的开关管(g1，g2)和(g3，g4)驱动信号的占空比相等，且相位相差180度。基于分段滑膜控制方法对其进行有效、快速且稳定的控制。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的分段滑模控制方法能够调节输出电压跟踪参考值的同时平衡飞跨电容电压在输入电压值的一半，能够发挥三电平DC-DCbuck变换器相较于传统buck变换器的优势。利用分段滑模控制方法具有启动过程无超调、动态响应速度快的特点。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本专利技术流程图；图2为本专利技术三电平DC-DCbuck变换器示意图；图3A-3D为本专利技术三电平DC-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电平DC‑DC buck变换器的分段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变换器的分段滑模控制系统的搭建和模态分析；S2，基于分段滑模控制理论对输出电压进行控制同时平衡飞跨电容电压；S3，基于分段滑膜控制方法对其进行有效、快速且稳定的控制。

【技术特征摘要】
1.一种三电平DC-DCbuck变换器的分段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变换器的分段滑模控制系统的搭建和模态分析；S2，基于分段滑模控制理论对输出电压进行控制同时平衡飞跨电容电压；S3，基于分段滑膜控制方法对其进行有效、快速且稳定的控制。2.根据权利要求1所述的三电平DC-DCbuck变换器的分段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DC-DCbuck变换器拓扑，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能够被分为4个模态：模态1：g2、g4导通而g1、g3断开，vlev＝0；模态2：g1、g4导通而g2、g3断开，飞跨电容被充电，vlev＝Vin-vcf；模态3：g2、g3导通而g1、g4断开，飞跨电容被放电，vlev＝vcf；模态4：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个开关管能够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变换器的分段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：采用滑模控制的分段设计；在充电阶段，三电平降压变换器将工作在“两电平”模式，这意味着变换器仅包含模态1和模态2，同时，PI控制器和脉宽调制器2不工作，也就是ΔD＝0和u3＝0；因此，飞跨电容只能被充电而不能放电，这减小了充电阶段的时间；当Vref/Vin＜0.5时，变换器被描述为：当u＝0意味着g1，g3关断且g2，g4导通(模态1)，而u＝1意味着g1和g3其中只有一个关断(模态2或模态3)；当Vref/Vin＞0.5时，变换器被描述为：当u＝1意味着g1，g3开通且g2，g4关断(模态4)，而u＝0意味着g1和g3其中只有一个开通(模态2或模态3)；定义输出电压误差e＝Vref-vo，其一阶倒数和它的积分项∫edt作为模态变量，当Vref/Vin＜0.5时的模态模型能够从如下的方程中得出：当Vref/Vin＞0.5时的模态模型能够从如下的方程中得出：其中大多数之前提出的用于降压变换器的滑模式电压控制器总是选择作为滑膜面，其仅涉及电压误差及其一阶导数；为了减小系统的稳态误差，错误的积分项∫edt被加到滑膜面中；滑模变量被定义为：其中K＝[k1，k2，k3]，k1，k2，k3＞0；s的一阶导被表示为：滑模运行的存在条件是这确保了滑动面的可达性，能够用如下方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌睿，胡睿，黄雪莉，张腾，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50