【技术实现步骤摘要】
开关电容谐振变换器状态轨迹控制及有限状态机实现方法
[0001]本专利技术涉自动化控制领域，特别是涉及一种开关电容谐振变换器状态轨迹控制及有限状态机实现方法。
技术介绍
[0002]在开关电容变换器电容充放电路径中加入小型电感，构成开关电容谐振变换器(SCRC)，所有的开关器件均可实现软开关切换，且谐振电感的加入消除了尖峰电流。因而，开关电容谐振变换器在开关电容变换器的基础上有效提高了功率传输效率，在高频大功率应用场合有较高的研究和应用价值。
[0003]对于开关电容谐振变换器，目前已经提出了一些反馈控制方法，如频率控制、消隐时间控制，占空比控制等，但在这些控制方式存在以下缺点：
[0004](1)开关器件硬开关切换，增加了变换器开关损耗；
[0005](2)变换器电路中，开关管通态电流和谐振电路电流峰值较大，增加变换器线
[0006]路损耗和开关管导通损耗；
[0007]以上两个缺点最终将导致变换器的功率传输效率下降。对于由上下两个半桥逆变器构成的开关电容谐振变换器结构，移相控制方法不仅实现了输出电压连续调节，且保证变换器的软开关运行。但目前开关电容谐振变换器的移相控制研究主要关注如何在宽负载范围内提高变换器的功率传输效率，对变换器动态性能关注度不高。传统移相控制方式，大多基于输出电压构建简单闭环反馈控制系统，其开关电容谐振变换器的动态特性受控制器参数影响较大，且存在较大的提升空间，这就需要本领域技术人员解决相应的技术问题。
技术实现思路
[0008]本专利技...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种开关电容谐振变换器，其特征在于，包括：第一个开关管g1漏极连接到变换器输入电压V
in
正极，第一个开关管g1源极分别连接到第二个开关管g2漏极和谐振电感L
r
一端，谐振电感L
r
的另一端连接到谐振电容C
r
的一端，第二个开关管g2源极分别连接到第三个开关管g3漏极、输出电容C
out
的一端和负载R的一端，第三个开关管g3源极分别连接到第四个开关管g4漏极和谐振电容C
r
的另一端；第四个开关管g4源极分别连接到变换器输入电压V
in
负极、输出电容C
out
的另一端和负载R的另一端。2.一种开关电容谐振变换器状态轨迹控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，根据开关电容谐振变换器四个状态下等效电路，选取开关电容谐振变换器的控制变量，根据选定的控制变量，在不同电路结构下构建方程，建立关于控制变量的U
CrN
‑
i
LN
和U
out
‑
i
L
两个状态平面；S2，建立状态轨迹控制的有限状态机控制器，将计算得到的临界切换条件带入有限状态机控制器，调节开关电容谐振变换器的输出电压，使其输出电压跟踪参考值。3.根据权利要求2所述的开关电容谐振变换器状态轨迹控制方法，其特征在于，包括：所述四个状态为State 1、State 2、State 3、State 4；所述四个状态下等效电路的开关状态为：在State 1状态下，开关管g1和g4导通，开关管g2和g3关断；在State 2状态下，开关管g1和g3导通，开关管g2和g4关断；在State 3状态下，开关管g2和g3导通，开关管g1和g4关断；在State 4状态下，开关管g2和g4导通，开关管g1和g3关断。4.根据权利要求2所述的开关电容谐振变换器状态轨迹控制方法，其特征在于，所述S1包括：S1
‑
1，选定谐振电流i
L
和谐振电容电压U
Cr
为控制变量，开关电容谐振变换器的四个状态State 1、State 2、State 3、State 4在标准化状态平面U
CrN
‑
i
LN
上的轨迹方程分别如下：State 1：(U
CrN
‑
1)2+i
LN2
＝(U
CrN0
‑
1)2+i
LN02
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)State 2：[U
CrN
‑
(1
‑
M)]2+i
LN2
＝[U
CrN0
‑
(1
‑
M)]2+i
LN02
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)State 3：U
CrN2
+i
LN2
＝U
CrN02
+i
LN02
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)State 4：(U
CrN
‑
M)2+i
LN2
＝(U
CrN0
‑
M)2+i
LN02
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中U
CrN
为标准化谐振电容电压，i
LN
为标准化谐振电流，i
LN0
和U
CrN0
分别为i
LN
和U
CrN
的初始值；M表示电压转换比，Z
r
表示特性阻抗，L
r
为谐振电感，C
r
为谐振电容，V
in
是变换器输入电压，U
Cr
是谐振电容电压，i
L
是谐振电流，U
out
是变换器输出电压；S1
‑
2，选定变换器输出电压U
out
和谐振电流i
L
为控制变量，根据开关电容谐振变换器分别在State 1、State 2、State 3、State 4四个状态下的结构特点，列出变换器在四个状态下的动态方程，推导变换器的四个状态State 1、State 2、State 3、State 4在U
out
‑
i
L
状态平面上的轨迹方程。5.根据权利要求4所述的开关电容谐振变换器状态轨迹控制方法及有限状态机装置，其特征在于，所述S1
‑
2包括：变换器在State 1和State 3状态下的动态方程为：
其中，“·”表示对时间的一阶导数，i
L
是谐振电流，L
r
为谐振电感，U
Cr
为谐振电容电压，m是一个常系数，V
in
是变换器输入电压，C
r
为谐振电容，U
out
是变换器输出电压，R为负载，C
out
为输出电容；求解动态方程组(5)，得到如下关系式：得到如下关系式：其中，i
L
是谐振电流，L
r
为谐振电感，C
r
为谐振电容，U
Cr
为谐振电容电压，m是一个常系数，V
in
是变换器输入电压，U
out
是变换器输出电压，R为负载，C
out
为输出电容，e为自然底数，t为时间变量，i
L0
、U
Cr0
和U
out0
分别i
L
、U
Cr
和U
out
的初始值；当系统工作在State 1状态下，m取值为1，如方程(8)；当系统工作在State 3状态下，m取值为0，如方程(9)；求解由(6)、(7)构成的方程组，令替换时间变量t，得State 1状态轨迹描述如下：其中，i
L
是谐振电流，U
out
是变换器输出电压，C
out
为输出电容，R为负载，L
r
为谐振电感，C
r
为谐振电容，U
Cr
为谐振电容电压，V
in
是变换器输入电压，i
L0
、U
Cr0
和U
out0
分别i
L
、U
Cr
和U
out
的初始值；State 3状态轨迹描述如下：State 2状态下的动态方程：
其中，“·”表示对时间的一阶导数，i
L
是谐振电流，L
r
为谐振电感，U
Cr
为谐振电容电压，U
out
是变换器输出电压，V
in
是变换器输入电压，C
r
为谐振电容，R为负载，C
out
为输出电容；为了简化分析，设定为无负载情况，R
→
∞即阻值趋于无穷，公式(10)简化为：对U
out
求二阶导，得到的表达式如下：其中，“··”表示对时间的二阶导数，U
out
是变换器输出电压，C
out
为输出电容，i
L
是谐振电流，L
r
为谐振电感，U
Cr
为谐振电容电压，V
in
是变换器输入电压，根据上式，进一步有如下关系式：等式两边同乘并对时间变量t积分得：其中，C
out
为输出电容，L
r
为谐振电感，U
out
是变换器输出电压，“·”表示对时间的一阶导数，和U
out0
分别为和U
out
的初始值，V
in
是变换器输入电压，U
Cr
是谐振电容电压；将带入(14)式，可得State 2状态轨迹描述如下：其中，C
out
为输出电容，L
r
为谐振电感，i
L
是谐振电流，U
out
是变换器输出电压，V
in
是变换器输入电压，U
Cr
是谐振电容电压，i
L0
为i
L
的初始值，U
out0
为U
out
的初始值；State 4状态下的动态方程：其中，“·”表示对时间的一阶导数，i
L
是谐振电流，L
r
为谐振电感，U
Cr
为谐振电容电压，U
out
是变换器输出电压，C
r
为谐振电容，R为负载，C
out
为输出电容；为了简化分析，设定为无负载情况，R
→
∞即阻值趋于无穷，公式(10)简化为：
对U
out
求二阶导，得到的表达式如下：其中，“··”表示对时间的二阶导数，U
out
是变换器输出电压，C
out
为输出电容，i
L
是谐振电流，L
r
为谐振电感，U
Cr
为振电容电压，根据上式，进一步有如下关系式：等式两边同乘并对时间变量t积分得：其中，C
out
为输出电容，L
r
为谐振电感，“·”表示对时间的一阶导数，U
out
是变换器输出电压，U
Cr
是谐振电容电压，和U
out0
分别为和U
out
的初始值；将带入(20)式，可得State 4状态轨迹描述如下：其中，C
out
为输出电容，L
r
为谐振电感，i
L
是谐振电流，U
out
是变换器输出电压，U
Cr
是谐振电容电压，i
L0
和U
out0
分别i
L
和U
out
的初始值；式(8)，(15)，(9)，(21)即为开关电容谐振变换器的四个状态State 1、State 2、State3、State 4在状态平面U
out
‑
i
L
上的轨迹方程。6.根据权利要求2所述的开关电容谐振变换器状态轨迹控制方法，其特征在于，所述建立状态轨迹控制的有限状态机控制器包括：U
out
≤V
ref
状态轨迹控制过程和U
out
＞V
ref
状态轨迹控制过程；所述U
out
≤V
ref
状态轨迹控制过程包括：初始化阶段、输出电压上升调节阶段和输出电压稳定阶段；所述初始化阶段包括：将Rise State 1作为初始化状态Initial State后第一个激活状态；所述输出电压上升调节阶段包括四个状态驱动：Rise State 1、Rise State 2、Rise State 3、Rise State 4；所述U
out
＞V
ref
状态轨迹控制过程包括：初始化阶段、输出电压下降调节阶段、输出电压稳定调节阶段和初始阶段；所述初始化阶段包括：将Fall State 1作为初始化状态Initial State后第一个激活
状态；所述输出电压下降调节阶段包括四个状态驱动：Fall State 1、Fall State 2、Fall State 3、Fall State 4；所述输出电压稳定调节阶段包括四个状态驱动：Steady State 1、Steady State 2、Steady State 3、Steady State 4；其中，U
out
是变换器输出电压，V
ref
为输出电压参考值；State 1、State 2、State 3、State 4分别对应变换器的四个状态；状态前缀Steady表示输出电压稳定调节，状态轨迹按Steady State 1
→
Steady State 2
→
Steady State 3
→
Steady State 4顺序循环驱动；状态前缀Rise表示输出电压上升调节，状态轨迹按Rise State 1
→
Rise St...
【专利技术属性】
技术研发人员：凌睿，王攀，易琪淋，夏增豪，何欣驰，邓策亮，刘姝，张俊祎，吴浩，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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