一种Boost变换器的基于自然轨迹的两级切换控制方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种Boost变换器的基于自然轨迹的两级切换控制，属于电力电子技术领域。该方法将Boost变换器的工作状态分为两种情况进行不同控制：在瞬态期间，采用TSSC方法进行控制，即使用自然轨迹来获得升压变换器的开通和关断状态，让状态变量在综合考虑恢复时间和电压偏差的情况下均衡达到目标工作点；在稳态过程，采样双环PI控制。该方法能够显著改善动态响应和减小电压偏差，同时保持闭环稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
switchingcontrol)。与传统的基于自然轨迹作为开关面的边界控制不同的是，我们在负载跃变的动态过程中选取了一个暂态工作点，通过设置一个中间暂态过渡点，来实现电压偏差和恢复时间的两者的均衡，而动态过程结束以后切换到双环PI进行控制。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种Boost变换器的基于自然轨迹的两级切换控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1.判断Boost变换器的电路处于稳态还是瞬态，如果是瞬态，进入步骤2；否则进入步骤5；
[0009]步骤2.判断负载是由重载到轻载变化还是轻载到重载变化，如果是轻载到重载，进入步骤3；否则进入步骤4；所述重载到轻载变化即下一时刻负载电流相比于当前时刻负载电流减小；
[0010]步骤3.当负载从轻载到重载跃变时，根据设计的两级切换控制律，经过两次开通和两次关断以后到达期望工作点；
[0011]步骤4.当负载从重载到轻载跃变时；根据升压变换器的自然轨迹所得到的两级切换控制也是经过两次开通和关断以后达到期望工作点；
[0012]步骤5.当电路为稳态时，使用双环PI来控制。
[0013]进一步地，所述Boost变换器的拓扑结构包括：电感(L)、电容(C)、开关管(S1)和二极管(D1)；其中，开关管(S1)的漏极与电感的一端连接，开关管(S1)的源极与输入电源负极相连；二极管(D1)的阳极与电感的一端和开关管(S1)的漏极相连，二极管(D1)的阴极与输出电容(C)的一端连接，输出电容(C)的另一端与电源负极相连。
[0014]进一步地，所述Boost变换器的输出电压不能为负，因为电路拓扑结构中二极管的存在。
[0015]进一步地，所述Boost变换器在稳态期间的工作模式为连续导通模式(CCM)。
[0016]进一步地，本专利技术控制方法适用于负载扰动较小情况，即扰动使得变换器的输出电压不为0。
[0017]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：
[0018]本专利技术所提出基于自然轨迹进行的暂态控制方法在负载扰动时，切换到拟提议的控制方法，使用状态平面分析来估计开关管开通和关断时间，让状态变量在兼顾降低组件应力的基础上在最短时间内达到目标工作点。
附图说明
[0019]图1为Boost变换器的简化电路原理图；
[0020]其中，(a)为拓扑结构图；(b)为开关管开通等效电路图；(c)为开关管关断等效电路图。
[0021]图2为Boost变换器中开关管MOSFET开通和关断的归一化轨迹图。
[0022]图3为本专利技术控制方法的结构框图。
[0023]图4为负载从轻载到重载时本专利技术简化最优时间动态控制图；
[0024]其中，(a)为输出电压和电感电流的相轨迹图，(b)为输出电压波形，(c)为电感电流波形。
[0025]图5为负载从重载到轻载时本专利技术简化最优时间动态控制图；
[0026]其中，(a)为输出电压和电感电流的轨迹图，(b)为输出电压波形，(c)为电感电流波形。
[0027]图6为负载从轻载到重载时，本专利技术基于自然轨迹的两级切换控制的的输出电压和电感电流仿真图。
[0028]图7为负载从重载到轻载时，采用本专利技术控制方法的输出电压和电感电流波形变化仿真图；
具体实施方式
[0029]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本专利技术作进一步地详细描述。
[0030]本专利技术控制方法针对具有非最小相位(NMP)系统的Boost变换器设计，所述Boost变换器的简化电路原理图如图1所示。其中，电路拓扑结构如图1(a)，包括：电感(L)、电容(C)、开关管(S1)和二极管(D1)；其中，开关管(S1)的漏极与电感的一端连接，开关管(S1)的源极与输入电源负极相连；二极管(D1)的阳极与电感的一端和开关管(S1)的漏极相连，二极管(D1)的阴极与输出电容(C)的一端连接，输出电容(C)的另一端与电源负极相连；输出电容(C)和负载(R)并联。图1(b)和图1(c)分别为开关管MOSFET开通或关断等效电路图。当开关管MOSFET开通时，电感电流储存能量，当开关管MOSFET关断时，电感中储存的能量向负载传输。
[0031]对于上述变换器，为了消除状态变量的量纲获得一般性，对变量进行归一化处理，其中，V
r
为参考电压，f
o
为固有频率，L和C分别是电感感值和电容容值，Z
o
为特征阻抗，
[0032]在开关管开通(u＝1)和关断(u＝0)时(u指的是MOSFET开关管的状态，也是系统的控制输入)，根据KCL和KVL定律，电感电流和输出电压的状态方程如下所示，
[0033][0034][0035]其中，V
cc
是输入电压，i
L
是电感电流，v
o
是输出电压；
[0036]假定Boost变换器工作过程没有功率损耗，则输入功率等于输出功率，负载线定义如下：
[0037][0038]当目标工作电压(输出电压等于期望电压)归一化的结果为v
on,t arget
＝1，
[0039][0040]该变换器的目标工作点为(v
on,target
,i
Ln,target
)，根据(3)和(4)可以确定。
[0041]在目标工作点处开关管开通和关断时的常微分方程，得到归一化后电感电流和输出电压的相轨迹：
[0042][0043]其中，u＝0时，电感电流和输出电压的相轨迹是以(V
ccn
,i
on
)为圆心，以期望工作点到圆心(V
ccn
,i
on
)为半径的圆；而u＝1时，电感电流和输出电压的相轨迹是经过点斜率为的直线。如图2所示，Boost变换器的开通和关断轨迹在目标工作点处相切，理想情况下，系统到达稳态时，Boost变换器在目标工作点附近做高频开通和关断切换。
[0044]若输出电压不能为负，且Boost变换器在稳态期间工作在连续导通模式(CCM)。
[0045]一种Boost变换器的基于自然轨迹的两级切换控制方法，其结构框图如图3所示，包括以下步骤：
[0046]步骤1.判断Boost变换器的电路处于稳态还是瞬态，如果是瞬态，进入步骤2；否则进入步骤3；
[0047]步骤2.判断负载是由重载到轻载变化还是轻载到重载变化，如果是轻载到重载，进入步骤3；否则进入步骤4；所述重载到轻载变化即下一时刻负载电流相比于当前时刻负载电流减小。因此，理论上只要两个开关动作就可使系统达到稳态。具体过程如图4所示：
[0048]如图4.a所示，当负载从轻载向重载变化时，工作点3是下一时刻稳态点，工作点1是负载跃变过程的初始状态点，也是上一时刻稳态工作点。为了综合考虑电压下冲和恢复时间这两个指标，我们在工作点1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Boost变换器的基于自然轨迹的两级切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.判断Boost变换器的电路处于稳态还是瞬态，如果是瞬态，进入步骤2；否则进入步骤5；步骤2.判断负载是由重载到轻载变化还是轻载到重载变化，如果是轻载到重载，进入步骤3；否则进入步骤4；所述重载到轻载变化即下一时刻负载电流相比于当前时刻负载电流减小；步骤3.当负载从轻载到重载跃变时，根据设计的两级切换控制律，经过两次开通和两次关断以后到达期望工作点；步骤4.当负载从重载到轻载跃变时；根据升压变换器的自然轨迹所得到的两级切换控制也是经过两次开通和关断以后达到期望工作点；步骤5.当电路为稳态时，使用双环PI来控制。2.如权利要求1所述的基于自然轨迹的两级切换...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈章勇，刘海峰，陈勇，肖方波，李猛，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：