非最小相位单电感双输出Buck-Boost变换器的控制参数设计方法技术

本发明专利技术公开了非最小相位单电感双输出Buck

【技术实现步骤摘要】
非最小相位单电感双输出Buck
‑
Boost变换器的控制参数设计方法


[0001]本专利技术属于变换器
，具体涉及非最小相位单电感双输出Buck
‑
Boost变换器的控制参数设计方法。

技术介绍

[0002]随着电力电子技术的快速发展，以穿戴设备、智能手机为代表，由电力电子技术促进的便携式电子设备发展十分迅速。单电感双输出(Single
‑
Inductor Dual
‑
Output，SIDO)DC
‑
DC开关变换器用一个电感实现了双路输出，并且具有无电磁干扰、结构简单和输出精度高等优点受到越来越多的关注。
[0003]SIDO DC
‑
DC开关变换器共享一个电感中的能量，并作为一个整体共同完成升、降压功能，因此其两支路输出端存在交叉影响。交叉影响轻时，会影响系统的暂态性能；交叉影响重时，会影响系统的稳定性。同时，SIDO DC
‑
DC开关变换器电路拓扑中，如SIDO Boost、SIDO Buck
‑
Boost、SIDO Flyback及其衍生拓扑的暂态数学模型因含有右半平面零点(Right Half
‑
Plane Zero，RHPZ)而属于非最小相位系统。该类系统在发生占空比突增(或突减)时，输出电压在开始阶段，会出现先减后增(或先增后减)的暂态过渡过程，即负调现象。负调现象轻时，会影响系统的暂态性能；负调现象重时，同样会影响系统稳定性。并且非最小相位系统无法使用传统频域法进行控制器设计，致使控制器设计变得复杂。
[0004]为了抑制SIDO DC
‑
DC开关变换器输出支路间的交叉影响，已有大量文献对此进行了研究。文献电流型控制单电感双输出开关变换器稳定性与瞬态特性分析[J].电工技术学报,2018,33(6):1374
‑
1381.以电感电流连续导电模式(Continuous Conduction Mode，CCM)SIDO Boost变换器为例，分析了其电流控制的稳定性与瞬态特性，结果表明，相比于电压型控制，电流型控制既提高系统暂态响应速度又有效抑制了输出支路间的交叉影响。还有文献提出了纹波平均模型控制CCM SIDO Buck
‑
Boost变换器，并提出交叉调节因子的概念来评估关键电路参数对系统交叉影响的影响程度。文献恒定谷值电流型变频控制CCM单电感双输出Boost变换器建模与分析[J].中国电机工程学报,2018,38(23):7015
‑
7025+7135.以CCM SIDO Boost变换器为例，提出了恒定谷值电流型变频控制方法，通过推导闭环输出阻抗及交叉影响传递函数等来分析系统暂态性能及交叉影响改善情况。文献Exact feedback linearisation optimal control for single
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inductor dual
‑
output boost converter[J].IET Power Electronics,2020,13(11):2293
‑
2301.对CCM SIDO Boost变换器进行精确反馈线性化最优控制，通过优化控制率提高系统暂态性能。以上文献主要从SIDO DC
‑
DC变换器存在的交叉影响角度进行研究，但国内外关于含有RHPZ的SIDO DC
‑
DC变换器非最小相位特性问题还未见报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供非最小相位单电感双输出Buck
‑
Boost变换器的控制参数设
计方法，针对单电感双输出Buck
‑
Boost变换器支路输出电压的负调现象设计控制参数，抑制输出支路间的交叉影响。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，非最小相位单电感双输出Buck
‑
Boost变换器的控制参数设计方法，对单电感双输出Buck
‑
Boost变换器存在负调现象的支路采用电流控制，另一无负调现象的支路采用电压控制；之后，以工作模式和输出纹波电压为约束条件，对单电感双输出Buck
‑
Boost变换器电感和电容的参数进行设计，进而结合劳斯
‑
赫尔维兹判据得到了控制参数的取值范围，同时应用特征根灵敏度对控制参数进行优化，设计完成。
[0007]本专利技术的特点还在于，
[0008]具体按照以下步骤实施：
[0009]步骤1：建立SIDO Buck
‑
Boost变换器模型
[0010]SIDO Buck
‑
Boost变换器模型包括主路，主路分别连接有两电路结构相同的支路；
[0011]步骤2：由于SIDO Buck
‑
Boost变换器先导通的支路的输出电压存在负调现象，因此，对于无负调现象的支路采用电压控制；对于有负调现象的支路采用电感电流控制，计算电压控制和电感电流控制的控制信号；
[0012]步骤3：设计SIDO Buck
‑
Boost变换器电路参数；
[0013]步骤4：根据特征根灵敏度的分析设计SIDO Buck
‑
Boost变换器的控制参数。
[0014]SIDO Buck
‑
Boost变换器模型主路包括主功率开关管S0和S3，还包括功率二极管VD、储能电感L，流过L的电流为i
L
，主路的输入电压源为v
i
，S0或S3的驱动信号为V
GS0
，S0的占空比为d
i
，主路分别连接有电路结构相同的支路a和支路b，支路a包括支路a开关管S1、滤波电容C
a
、负载电阻R
a
，支路a的输出电压为v
a
，S1的驱动信号为V
GS1
，S1的占空比分别为d
a
，支路b包括支路b开关管S2、滤波电容C
b
、负载电阻R
b
，支路b的输出电压为v
b
，S2的驱动信号为V
GS2
，S2的占空比分别为d
b
，且满足d
a
+d
b
＝1，SIDO Buck
‑
Boost变换器的两支路中支路a开关管S1先导通。
[0015]步骤2，在SIDO Buck
‑
Boost变换器的控制中，对于无负调现象的支路b采用电压控制方法，具体为对支路b进行比例积分控制，控制器为PI3，对于有负调现象的支路a采用电感电流控制，具体为对支路a分别进行外环电压比例积分控制和内环电流比例积分控制，支路a外环电压PI控制的控制器为PI1，支路a内环电流PI控制的控制器为PI本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.非最小相位单电感双输出Buck
‑
Boost变换器的控制参数设计方法，其特征在于，对单电感双输出Buck
‑
Boost变换器存在负调现象的支路采用电流控制，另一无负调现象的支路采用电压控制；之后，以工作模式和输出纹波电压为约束条件，对单电感双输出Buck
‑
Boost变换器电感和电容的参数进行设计，进而结合劳斯
‑
赫尔维兹判据得到了控制参数的取值范围，同时应用特征根灵敏度对控制参数进行优化，设计完成。2.根据权利要求1所述的非最小相位单电感双输出Buck
‑
Boost变换器的控制参数设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：建立SIDO Buck
‑
Boost变换器模型SIDO Buck
‑
Boost变换器模型包括主路，所述主路分别连接有两电路结构相同的支路；步骤2：由于SIDO Buck
‑
Boost变换器先导通的支路的输出电压存在负调现象，因此，对于无负调现象的支路采用电压控制；对于有负调现象的支路采用电感电流控制，计算电压控制和电感电流控制的控制信号；步骤3：设计SIDO Buck
‑
Boost变换器电路参数；步骤4：根据特征根灵敏度的分析设计SIDO Buck
‑
Boost变换器的控制参数。3.根据权利要求2所述的非最小相位单电感双输出Buck
‑
Boost变换器的控制参数设计方法，其特征在于，SIDO Buck
‑
Boost变换器模型主路包括主功率开关管S0和S3，还包括功率二极管VD、储能电感L，流过L的电流为i
L
，主路的输入电压源为v
i
，S0或S3的驱动信号为V
GS0
，S0的占空比为d
i
，主路分别连接有电路结构相同的支路a和支路b，支路a包括支路a开关管S1、滤波电容C
a
、负载电阻R
a
，支路a的输出电压为v
a
，S1的驱动信号为V
GS1
，S1的占空比分别为d
a
，支路b包括支路b开关管S2、滤波电容C
b
、负载电阻R
b
，支路b的输出电压为v
b
，S2的驱动信号为V
GS2
，S2的占空比分别为d
b
，且满足d
a
+d
b
＝1，SIDO Buck
‑
Boost变换器的两支路中支路a开关管S1先导通。4.根据权利要求3所述的非最小相位单电感双输出Buck
‑
Boost变换器的控制参数设计方法，其特征在于，所述步骤2，在SIDO Buck
‑
Boost变换器的控制中，对于无负调现象的支路b采用电压控制方法，具体为对支路b进行比例积分控制，控制器为PI3，对于有负调现象的支路a采用电感电流控制，具体为对支路a分别进行外环电压比例积分控制和内环电流比例积分控制，支路a外环电压PI控制的控制器为PI1，支路a内环电流PI控制的控制器为PI2；将SIDO Buck
‑
Boost变换器两支路产生的控制信号经PWM后分别通过比较器与标准锯齿波信号进行比较，并有式(39)...

【专利技术属性】
技术研发人员：皇金锋，李慧慧，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：