专利名称：Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法
技术领域：
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及的是Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法。
背景技术：
采用PWM(脉冲宽度调制)技术的Buck变换器，是一种强非线性系统。一方面，Buck变换器中主开关器件的不同状态使Buck变换器工作于不同的拓扑；另一方面，Buck变换器又存在两种工作模式:电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)。而在传统控制方法的设计中，需要对两种工作模式分别建模，一是造成了 Buck变换器控制方法设计的复杂性，二是Buck变换器不能同时工作于两种工作模式(CCM和DCM)，即很难在大负载变化范围内稳定工作。从本质上讲，Buck变换器是一种典型的混杂动态系统，同时存在离散和连续两个子系统。对于混杂系统模型的建立，目前常用方法中有混杂自动机模型，混杂自动机是混杂系统的一个形式化模型，由Alur等人在1993年提出(R.Alur, C.Courcoubetis,T.A.Henzinger and P.H.H0.Hybrid Automata: An Algorithmic Approach to theSpecification and Verification of Hybrid System[C].Lecture Notes in ComputerScience.LNCS 736，Springer-Verlag, 1993，209-229.)，以其对离散和连续混杂特性描述的直观性、可验证性，日益为人们所接受。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在上述不足，提供Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法，具体技术方案如下。
Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法，包括如下步骤:(I)建立能同时工作于电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)的Buck变换器的混杂自动机模型；(2)计算出基于恒定开关频率的混杂控制边界值:I。AiL/2, I1^Pvx，其中Il为Buck变换器中电感电流的平均值，Λ k为CCM下电感的纹波电流值，Ip为DCM下电感电流的峰值，Vx为输出电压平均值与DCM下模态3中输出电压最小值的差值；(3)通过逻辑判断，确定Buck变换器的工作模式:若IJ Λ k/2，则Buck变换器工作于CCM，反之，则工作于DCM ；(4)根据状态变量与由DSP控制计算出的边界条件的比较结果，输出主电路开关管的控制信号，驱动主电路工作。进一步的,上述的Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法中，当Buck变换器工作于CCM时，Buck变换器在Q1和q2两种状态之间来回切换，若Buck变换器中电感电流k大于或等于IJ Δ iL/2时，则由DSP输出控制信号使Buck变换器开关关断，Buck变换器由模态I (Q1)切换至模态2 (q2);若电感电流L小于或等于Λ V2时，则由DSP输出控制信号使开关导通，Buck变换器由模态2 (q2)切换至模态I (qi)。 进一步的,上述的Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法中，当Buck变换器工作于DCM时，Buck变换器在q1、q2和q3三种状态之间按顺序来回进行切换，若Buck变换器中电感电流k大于或等于Ip时，则由DSP输出控制信号使开关关断，Buck变换器由模态I (Q1)切换至模态2 (q2);若Buck变换器中电感电流k等于0，则由DSP输出控制信号使开关关断，Buck变换器由模态2 Cq2)切换至模态3 Cq3);若Buck变换器输出端电压V0小于或等于参考电压值V。即期望得到的电压值减去Vx，则由DSP输出控制信号使开关导通，Buck变换器由模态3 (q3)切换至模态I (qi)。进一步的，上 述的Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法中，步骤(I)所述混杂自动机模型包括离散过程和连续过程，其中离散过程是一个有限状态机，能根据连续过程的连续状态信号^和V。来控制离散过程中不同状态之间的切换，而连续过程则接收离散过程的输出S来激活相应的连续过程。与现有技术相比，本发明提出了 Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法，使Buck变换器能同时工作于CCM和DCM，且使Buck变换器的稳态开关频率不会随着负载的跳变而发生变化的混杂控制方法。该混杂控制方法将控制问题简化为边界计算和选择问题，使Buck变换器在大负载变化范围内均能正常工作，具有算法简单、动态响应速度快和稳态精度高的特点。
图1为Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂自动机模型。图2为Buck变换器工作于CCM的电感电流和输出电压波形。图3为Buck变换器工作于DCM的电感电流和输出电压波形。图4为DSP控制逻辑流程图。图5为负载跳变时Buck变换器的混杂控制结果仿真图。图6为图5在t=0.0ls时的局部放大仿真图。图7为输入扰动时Buck变换器的混杂控制结果仿真图。具体实施方法下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，但对本领域技术人员来说本发明的实施和保护不限于此。Buck变换器是一个离散和连续相互交替、相互作用的混杂动态系统，混杂动态系统分解成连续变量动态子系统和离散动态子系统，连续变量子系统的动态特性随时间发展不断演化，离散事件子系统的动态演化受事件的驱动，二者相互作用，交替进行，在整体上呈现离散位置的迁移，局部上呈现连续状态的渐进演化，形成统一的动态系统。根据开关和二极管的导通情况，Buck变换器有三种工作状态，Q1:开关导通，二极管截止，即模态I ;q2:开关截止，二极管导通，即模态2 ；q3:开关和二极管都截止，即模态3。Buck变换器的具体工作状态由基于恒定开关频率的混杂自动机模型的边界条件来确定，参考图1为Buck变换器的混杂自动机模型。图中，X为连续状态变量(X= (iu V。)1，其中k为Buck变换器主电路中电感电流的瞬时值，V。为输出电压的瞬时值);X为Buck变换器的连续
状态空间；Ii (i e I, 2，3)为每一Aqi下，X的不变集合；4(>) = /(^(>))=^^0) +凡为Buck变换器第i个工作状态下所对应的状态方程:当i=l时，对应于q1;其中
权利要求
1.Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法，其特征在于包括如下步骤: (1)建立能同时工作于电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)的Buck变换器的混杂自动机模型； (2)计算出基于恒定开关频率的混杂控制边界值-JL、Λ八/2、Jp和匕，其中Tl为Buck变换器中电感电流的平均值，Λ八为CCM下电感的纹波电流值，Ip为DCM下电感电流的峰值，为输出电压平均值与DCM下模态3中输出电压最小值的差值； (3)通过逻辑判断，确定Buck变换器的工作模式:若IL>ML/2,mBuck变换器工作于CCM，反之，则工作于DCM ； (4)根据状态变量与由DSP控制计算出的边界条件的比较结果，输出主电路开关管的控制信号，驱动主电路工作。
2.根据权利要求1所述Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法，其特征在于: 当Buck变换器工作于CCM时，Buck变换器在Q1和q2两种状态之间来回切换，若Buck变换器中电感电流八大于或等于Zl+Λ八/2时，则由DSP输出控制信号使Buck变换器开关关断，Buck变换器由模态1(<7ι)切换至模态2 (%);若电感电流八小于或等于ΛτΔ』'ι/2时，则由DSP输出控制 信号使开关导通，Buck变换器由模态2 Q2)切换至模态I (&)。
3.根据权利要求1所述Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法，其特征在于:当Buck变换器工作于DCM时，Buck变换器在ChW2和％三种状态之间按顺序来回进行切换，若Buck变换器中电感电流八大于或等于Iv时，则由DSP输出控制信号使开关关断，Buck变换器由模态I (仏)切换至模态2 (%);若Buck变换器中电感电流八等于O，则由DSP输出控制信号使开关关断，Buck变换器由模态2 Q2)切换至模态3 (%);若Buck变换器输出端电压^小于或等于参考电压值K。即期望得到的电压值减去Kr，则由DSP输出控制信号使开关导通，Buck变换器由模态3 (%)切换至模态I (仏)。
4.根据权利要求1所述Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法，其特征在于步骤(I)所述混杂自动机模型包括离散过程和连续过程，其中离散过程是一个有限状态机，能根据连续过程的连续状态信号八和K来控制离散过程中不同状态之间的切换，而连续过程则接收离散过程的输出V来激活相应的连续过程。
全文摘要
本发明公开了Buck变换器的基于恒定开关频率的混杂控制方法，该方法包括以下步骤建立Buck变换器的混杂自动机模型；根据Buck变换器主电路的输入电压、负载电阻、已确定的开关频率f和输出电压期望值计算混杂控制方法的边界条件，并判断Buck变换器的具体工作模式电感电流连续模式或者电感电流断续模式；根据状态变量与边界条件的比较结果，由DSP输出主电路开关管的控制信号，驱动主电路工作。本发明使控制问题简化为边界选择问题，算法简单，能使Buck变换器同时工作于CCM和DCM，且Buck变换器的稳态开关频率不会随着负载的跳变而发生变化，具有动态响应速度快，稳态精度高等特点。
文档编号H02M3/10GK103178710SQ201210545490
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者王学梅, 余泉, 张波 申请人:华南理工大学