一种三电平Boost变换器中点电位平衡控制方法技术

一种三电平Boost变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于，包括下列步骤，步骤一，在三电平Boost变换器输出滤波电容器Cb1上设置电压传感器VTincap1，检测的数据为电容电压ucb1，在输出滤波电容器Cb2之上设置电压传感器VTincap2，检测的数据为电容电压ucb2；步骤二，在三电平Boost变换器上连接一个控制器，控制器包括AD调理电路、DSP、FPGA和驱动电路；控制器的两个输入端分别与电压传感器VTincap1和电压传感器VTincap2连接，采样信号电容电压ucb1和电容电压ucb2进入控制器，控制器的输出信号为连接到两开关管Qb1和Qb2的驱动脉冲；本发明专利技术给出了偏差电压增益特征系数分段解析表达式，并提出基于最大偏差电压条件的分段拟合方法，从而确定不同占空比区间相位延迟边界条件，从而更好地实现对偏差电压的有效调节。

A neutral point potential balance control method for three level Boost converter

A method of point potential balance control in three level Boost converter is characterized by including the following steps. Step 1, the voltage sensor VTincap1 is set on the output filter capacitor Cb1 of the three level converter, the detected data is the capacitance voltage ucb1, and the voltage sensor VTincap2 is set on the output filter electric container Cb2. The detected data is the capacitance voltage ucb2; step two, a controller is connected to the three level Boost converter, the controller includes the AD conditioning circuit, the DSP, the FPGA and the driving circuit; the two input terminals of the controller are connected to the voltage sensor VTincap1 and the voltage sensor VTincap2 respectively, and the capacitance voltage ucb1 and the capacitance are sampled. The pressure ucb2 enters the controller, the output signal of the controller is connected to the driving pulse of the two switch tubes Qb1 and Qb2; the invention provides a piecewise analytic expression of the characteristic coefficient of the bias voltage gain, and proposes a piecewise fitting method based on the maximum deviation voltage condition, thus determining the different duty ratio interval phase delay boundary conditions, from which the phase delay boundary conditions are determined. And better realize the effective regulation of deviation voltage.

【技术实现步骤摘要】
一种三电平Boost变换器中点电位平衡控制方法
本专利技术是一种三电平Boost变换器中点电位平衡控制方法，涉及多电平变换领域，特别涉及一种三电平Boost变换器中点电位平衡控制方法。
技术介绍
三电平Boost变换器由MeynardT.A.和FochH.于1992年提出的飞跨电容钳位型多电平逆变器演化而来，能够有效降低开关管电压应力，减小开关损耗和反向恢复损耗，有助于改善系统动态性能、降低谐波畸变并减小电感、电容的体积重量以提高系统的功率密度，在中大功率开关电源中拥有广阔的应用前景。但在实际应用中，三电平Boost变换器两路输出滤波电容和等效串联电阻以及输出负载存在一定差异，控制电路、驱动电路以及开关管工作特性也不完全一致，因此，输出中点电位将发生一定偏移，从而导致开关管电压应力不相等，影响系统安全可靠工作。为保证系统正常可靠工作，需要采取一种有效的中点电位平衡控制方法。Hung-ChiChen基于三电平Boost型功率因数校正器，提出一种无需引入额外传感器的偏差电压自动均衡方法，整个控制仅包括输出电压控制环，但该策略需要数秒钟才能够实现电容电压自动平衡，动态响应较慢。Hung-ChiChen进一步提出一种基于升压电感电流检测的均压控制方法，通过恰当地设置电感电流采样点，可以实现平均电感电流和不平衡电压的检测，但这种方法对采样精度和准确度要求较高，采样误差可能导致控制出现紊乱，造成系统崩溃。因此，为追求控制的准确性、快速性和可靠性，大多学者仍会通过设置两个电容电压传感器，以获取快速精准的输出电压和偏差电压信息，进而按照图1所示的双环(输出电压环和偏差电压环)框图进行控制，其中：Vob＝ucb1+ucb2为实际输出电压，Vob-ref为输出电压参考值，uctrl为输出电压控制信号；Δucb＝ucb1-ucb2为实际偏差电压，Δucb-ref为偏差电压参考值(通常设置为0)，Δuctrl为偏差电压控制信号；控制信号依次通过逻辑处理单元与脉冲产生单元，发出脉冲信号GQb1和GQb2，进而驱动开关管Qb1和Qb2进行斩波工作。根据脉冲产生方式的不同，可将现有三电平Boost变换器中点电位平衡控制方法归类为占空比独立控制与脉冲相位延迟控制。其中，占空比独立控制方法虽能对偏差电压进行调节，但偏差电压控制量的引入改变了三电平Boost变换器的输出特性，且存在复杂的耦合关系，不利于控制器设计；而脉冲相位延迟控制方法能够在不改变系统输出特性的基础上对偏差电压进行有效调节，但以往方法中并未建立系统精确的数学模型，缺乏对关键控制参数的指导设计，导致控制准确度和动态响应速度不高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三电平Boost变换器中点电位平衡控制方法，以高输出电压环的动态性能，并保证偏差电压环的无静差调节。.一种三电平Boost变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于，包括下列步骤，步骤一，在三电平Boost变换器输出滤波电容器Cb1上设置电压传感器VTincap1，检测的数据为电容电压ucb1，在输出滤波电容器Cb2之上设置电压传感器VTincap2，检测的数据为电容电压ucb2；步骤二，在三电平Boost变换器上连接一个控制器，控制器包括AD调理电路、DSP、FPGA和驱动电路；控制器的两个输入端分别与电压传感器VTincap1和电压传感器VTincap2连接，采样信号电容电压ucb1和电容电压ucb2进入控制器，控制器的输出信号为连接到两开关管Qb1和Qb2的驱动脉冲；步骤三，电压传感器在设定时间点采样信号进入控制器后，经过AD调理电路，输出的数字信号进入DSP后，进行运算处理，按照公式Vob＝ucb1+ucb2和Δucb＝ucb1-ucb2，获取快速精准的输出电压和偏差电压信息，进而执行不同带宽的输出电压环和偏差电压环双控控制控制算法，具体如下；输出电压环中，实际电压Vob进入比较模块，与参考电压Vob-ref比较后，生成偏差信号eobb，为了避免控制点出现振荡，控制环中均引入振荡抑制模块，因此只有当第k次采样计算误差值|eob[k]|超过设置阈值Eo或时，才会将其反映至控制环以进行相应调节，否则按0处理。输出电压环采用PID控制器作为串联补偿网络Gc1(k)：一方面利用PI控制器可以调整系统的低频稳态性能，提高系统型别，达到无静差调节要求；另一方面利用PD控制器可以调节系统的中频动态性能，使校正后系统以20dB/dec的斜率下降并穿越0dB线，提高系统的相角裕度。经PID控制器调节后，通过限幅处理，输出开通时间占空比信号Don-b[k]，进入FPGA内执行脉冲发生逻辑。偏差电压环中，实际电压Δucb进入比较模块，与参考电压Δucb-ref(等于0)比较后，生成偏差信号ecb，为了避免控制点出现振荡，控制环中均引入振荡抑制模块，因此只有当第k次采样计算误差值|ecb[k]|超过设置阈值Ec时，才会将其反映至控制环以进行相应调节，否则按0处理。为了尽可能减小甚至消除偏差电压环对输出电压环的影响，同时保证系统输出电压的快速动态响应，引入偏差电压环使能模块，只有当输出电压扰动值未超过设定阈值Eo，即eob1[k]＝0输出电压稳定时，才会将第k次采样计算误差值ecb1[k]传递至控制模块Gc2(k)，否则按0处理，即不执行偏差电压调节。对于偏差电压环，由于系统对偏差电压调节的动态响应速度要求并不高，设计控制器Gc2(k)时不需要其具有很大的截止频率，即偏差电压环路的设计带宽相对较窄。因此采用一种串联PI补偿器的方法，有助于提高系统的型别，保证校正后系统阶跃响应无静差。经PI控制器调节后，通过变限幅环节，最终输出相位延迟信号λpd[k]，进入FPGA内执行脉冲发生逻辑；步骤四，开关管Qb1的驱动信号GQb1通过开通时间占空比信号Don-b与三角载波信号uctrl1比较得到；步骤五，开关管Qb2的驱动信号GQb2通过开通时间占空比信号Don-b与三角载波信号uctrl2比较得到，而三角载波信号uctrl2较uctrl1存在相位延迟λpd其中，λpdpd为脉冲延迟时间tpd所占开关周期的比例，即λpd＝tpd/Tsb；步骤六，脉冲信号GQb1和GQb2经过驱动电路后，分别施加于开关管Qb1和Qb2之上；步骤七，转入步骤三。本专利技术的关键点在于：1、突破传统基于低频假设与小纹波假设的状态空间平均法建模的局限性，采用基于电感电流纹波的建模方法，建立了三电平Boost变换器精确的输出电压和偏差电压数学模型；2、推导出偏差电压增益特征系数的分段解析表达式，并基于最大偏差电压条件的分段拟合方法，设计了不同占空比区间相位延迟边界条件，从而更好地实现偏差电压的有效调节；3、设计了不同带宽的双环控制器，并对控制器参数进行优化设计，提高了输出电压环的动态性能，并保证了偏差电压环的无静差调节。4、设计了不同带宽的双环控制器，其中输出电压环采用PID控制器作为串联补偿网络，可以调整系统的低频稳态性能，提高系统型别和相角裕度，调节系统的中频动态性能；偏差电压环采用串联PI补偿器的方法，保证了偏差电压的无静差调节。本专利技术的优点是:1、在不改变三电平Boost变换器输出特性的基础上实现对偏差电压有效调节。2、提供了基于电感电流纹波的建模思路，有助本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电平Boost变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于，包括下列步骤，步骤一，在三电平Boost变换器输出滤波电容器Cb1上设置电压传感器VTincap1，检测的数据为电容电压ucb1，在输出滤波电容器Cb2之上设置电压传感器VTincap2，检测的数据为电容电压ucb2；步骤二，在三电平Boost变换器上连接一个控制器，控制器包括AD调理电路、DSP、FPGA和驱动电路；控制器的两个输入端分别与电压传感器VTincap1和电压传感器VTincap2连接，采样信号电容电压ucb1和电容电压ucb2进入控制器，控制器的输出信号为连接到两开关管Qb1和Qb2的驱动脉冲；步骤三，电压传感器在设定时间点采样信号进入控制器后，经过AD调理电路，输出的数字信号进入DSP后，进行运算处理，按照公式Vob＝ucb1+ucb2和Δucb＝ucb1‑ucb2，获取快速精准的输出电压和偏差电压信息，进而执行不同带宽的输出电压环和偏差电压环双控控制控制算法，具体如下；输出电压环中，实际电压Vob进入比较模块，与参考电压Vob‑ref比较后，生成偏差信号eobb，为了避免控制点出现振荡，控制环中均引入振荡抑制模块，因此只有当第k次采样计算误差值|eob[k]|超过设置阈值Eo或时，才会将其反映至控制环以进行相应调节，否则按0处理。输出电压环采用PID控制器作为串联补偿网络Gc1(k)：一方面利用PI控制器可以调整系统的低频稳态性能，提高系统型别，达到无静差调节要求；另一方面利用PD控制器可以调节系统的中频动态性能，使校正后系统以20dB/dec的斜率下降并穿越0dB线，提高系统的相角裕度。经PID控制器调节后，通过限幅处理，输出开通时间占空比信号Don‑b[k]，进入FPGA内执行脉冲发生逻辑。偏差电压环中，实际电压Δucb进入比较模块，与参考电压Δucb‑ref(等于0)比较后，生成偏差信号ecb，为了避免控制点出现振荡，控制环中均引入振荡抑制模块，因此只有当第k次采样计算误差值|ecb[k]|超过设置阈值Ec时，才会将其反映至控制环以进行相应调节，否则按0处理。为了尽可能减小甚至消除偏差电压环对输出电压环的影响，同时保证系统输出电压的快速动态响应，引入偏差电压环使能模块，只有当输出电压扰动值未超过设定阈值Eo，即eob1[k]＝0输出电压稳定时，才会将第k次采样计算误差值ecb1[k]传递至控制模块Gc2(k)，否则按0处理，即不执行偏差电压调节。对于偏差电压环，由于系统对偏差电压调节的动态响应速度要求并不高，设计控制器Gc2(k)时不需要其具有很大的截止频率，即偏差电压环路的设计带宽相对较窄。因此采用一种串联PI补偿器的方法，有助于提高系统的型别，保证校正后系统阶跃响应无静差。经PI控制器调节后，通过变限幅环节，最终输出相位延迟信号λpd[k]，进入FPGA内执行脉冲发生逻辑；步骤四，开关管Qb1的驱动信号GQb1通过开通时间占空比信号Don‑b与三角载波信号uctrl1比较得到；步骤五，开关管Qb2的驱动信号GQb2通过开通时间占空比信号Don‑b与三角载波信号uctrl2比较得到，而三角载波信号uctrl2较uctrl1存在相位延迟λpd其中，λpdpd为脉冲延迟时间tpd所占开关周期的比例，即λpd＝tpd/Tsb；步骤六，脉冲信号GQb1和GQb2经过驱动电路后，分别施加于开关管Qb1和Qb2之上；步骤七，转入步骤三。...

【技术特征摘要】
1.一种三电平Boost变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于，包括下列步骤，步骤一，在三电平Boost变换器输出滤波电容器Cb1上设置电压传感器VTincap1，检测的数据为电容电压ucb1，在输出滤波电容器Cb2之上设置电压传感器VTincap2，检测的数据为电容电压ucb2；步骤二，在三电平Boost变换器上连接一个控制器，控制器包括AD调理电路、DSP、FPGA和驱动电路；控制器的两个输入端分别与电压传感器VTincap1和电压传感器VTincap2连接，采样信号电容电压ucb1和电容电压ucb2进入控制器，控制器的输出信号为连接到两开关管Qb1和Qb2的驱动脉冲；步骤三，电压传感器在设定时间点采样信号进入控制器后，经过AD调理电路，输出的数字信号进入DSP后，进行运算处理，按照公式Vob＝ucb1+ucb2和Δucb＝ucb1-ucb2，获取快速精准的输出电压和偏差电压信息，进而执行不同带宽的输出电压环和偏差电压环双控控制控制算法，具体如下；输出电压环中，实际电压Vob进入比较模块，与参考电压Vob-ref比较后，生成偏差信号eobb，为了避免控制点出现振荡，控制环中均引入振荡抑制模块，因此只有当第k次采样计算误差值|eob[k]|超过设置阈值Eo或时，才会将其反映至控制环以进行相应调节，否则按0处理。输出电压环采用PID控制器作为串联补偿网络Gc1(k)：一方面利用PI控制器可以调整系统的低频稳态性能，提高系统型别，达到无静差调节要求；另一方面利用PD控制器可以调节系统的中频动态性能，使校正后系统以20dB/dec的斜率下降并穿越0dB线，提高系统的相角裕度。经PID控制器调节后，通过限幅处理，输...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜会卿，杨杰，苗春晖，沈杰，杨森，蔡宗举，孙雅阁，孙科，
申请(专利权)人：中国船舶工业系统工程研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11