一种三电平Buck变换器及其控制方法与流程

本发明涉及一种三电平Buck变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术：

随着工业设备及微处理器的迅速发展，越来越多的装置存在负载突变的特性，这对开关电源的性能提出了更高的要求。在传统的Buck电路中，负载发生突变，但系统不能及时响应输出的变化，会造成输出电压波动，进而影响负载的正常工作和安全。因此，如何改善电路的动态响应成为研究热点。

目前，针对改善电路的动态响应的解决方法如下所示：

(1)LC滤波器的方案。并联大量滤波电容或采用低ESR电容可降低负载突变引起的电压波动，但增加了系统的体积和成本；采用较小的滤波电感能够提高动态响应能力，需考虑增加的磁芯损耗及开关损耗。

(2)三电平Buck电路方案。相较于传统的Buck电路，三电平Buck电路的等效开关频率加倍，而且开关器件的电压应力减半。在相同的开关频率条件下，三电平Buck电路可以采用更小的电感，动态响应更高。此外，还可以采用变换器的多相组合、多级电路来提高动态响应。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种三电平Buck变换器及其控制方法，在输出电压足够稳定的基础上，有效地提高了该变换器的动态响应，实现了输出功率的改变。

为解决上述技术问题，本发明提供一种三电平Buck变换器，其特征是，包括电源，第一MOSFET管Q₁、第二MOSFET管Q₂、第三MOSFET管Q₃、第四MOSFET管Q₄，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃，一个飞跨电容C₂及LC滤波器；

所述电源、Q₁、Q₂、Q₄及LC滤波器串联；D₃的负极直接接电源的正端，D₃的正极接Q₄的漏极，Q₄的源极接电源的负端；D₂的正极直接接电源的负端D₂的负极接Q₁的源极，Q₁的漏极接电源的正端；C₂的一端接D₂的负极，C₂的另一端接Q₃的漏极，Q₃的源极接D₃的正极；D₁的负极接在Q₂和LC滤波器之间，D₁的正极接在C₂和Q₃之间。

进一步的，所述LC滤波器包括电容C₁、负载R₁、滤波电感L₁，其中C₁与R₁并联后与滤波电感L₁串联。

一种三电平Buck变换器的控制方法，其特征在于：

设开关变换器的状态空间方程为：

式中，为系统变量偏差及其各阶导数或积分构成的n维向量的偏导，f(x)和g(x)为定义在整个矢量场上的两个平滑矢量场，选取切换函数s(x)＝kx，k为状态变量的假定系数，以闭环的输出电压的偏差x₁及其微分x₂和积分x₃为状态变量，则有：

x₁＝V_ref-V_o,x₃＝∫(V_ref-V_o)dt

式中，V_ref为输出参考电压，V_o为输出电压，

设滑模控制切换函数为

s(x)＝k₁x₁+k₂x₂+k₃x₃

式中，k₁、k₂、k₃分别为3个状态变量的假定系数且均大于0，

确定完切换函数之后，就应该选择控制开关信号u，以便使系统快速进入滑动模态，开关变换器的自身特点使得控制函数只存在1或0两种情况，本次设计选用的开关变换器的控制函数为

$u=\frac{1+\mathrm{sgn}\left(s\right)}{2}$

式中，s为上述确定完的切换函数。当s>0时，sgn(x)＝1，反之sgn(x)＝0，滑模控制其等效控制为

$u_{eq}=-\frac{L_{f}s}{L_{g}s}$

式中，L_fs为函数s(x)对矢量场f(x)的导数，L_gs函数s(x)对矢量场g(x)的导数，

首先判断滑模存在的必要条件：L_gS>0，然后把滑模变结构的等效控制等价为脉宽占空比d，从而实现对三电平Buck变换器的定频控制，即d＝u_eq。

滑模控制对开关变换器的非线性特征具有天然的适用性，具有稳定范围宽、动态响应快、控制实现简单等优点。

本发明所达到的有益效果：

(1)保留了传统三电平Buck电路减小开关管电压应力和减小电感的优点；

(2)提高了变换器的动态响应性能，拓宽了应用场合。

附图说明

图1为本发明的三电平Buck电路示意图；

图2为传统的三电平Buck电路示意图；

图3为传统的三电平Buck电路模态图；

图4为本发明的三电平Buck电路模态图；

图5为本发明的三电平Buck电路输出电压闭环控制图；

图6为本发明的三电平Buck电路飞跨电容的闭环控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在传统的Buck电路中，当负载突增时，开通开关管，电感电流变化率可表示为：

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=\frac{V_{in}-V_o}{L_{Buck}}$

当负载突降时，关断开关管，此时电感电流变化率为：

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=\frac{-V_o}{L_{Buck}}$

如图3所示，在传统的三电平Buck电路中，当负载突增时，开通开关管Q₁。电感电流变化率为：

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=\frac{\frac{V_{in}}{2}-V_o}{L_{BuckTL}}$

当负载突降时，关断Q₁，电感电流变化率为：

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=\frac{-V_o}{L_{BuckTL}}$

由上可得，基于两种变换器的输入输出电压相等，传统的三电平Buck变换器中的电感相较于Buck变换器有着明显的减小，从而在负载突降的情况时，三电平Buck变换器的电感电流变化率更快，从而动态响应更好。

在本发明的三电平Buck电路，当负载突增时，开通Q₁、Q₂、Q₄，电感电流变化率为：

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=\frac{V_{in}-V_o}{L_1}$

当负载突降时，电感电流变化率为：

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=\frac{-V_o-V_{c2}-V_{in}}{L_1}$

本发明的三电平Buck变换器可以和传统的三电平Buck变换器一样正常工作。当负载突变的场合，根据上述公式可以得出在输入输出电压相等的前提下，本发明的三电平Buck变换器的电感相较于Buck变换器是减小的，从而负载突增时电感电流变化率相较于Buck变换器是增加的，与传统的三电平Buck变换器相等。而负载突降时，输入电源、飞跨电容和电感一起放电，从而电感电流变化率是增加的。由上可得，无论负载如何变化，电感电流变化率均是增加的。

针对负载突变的应用场合，本发明提出的三电平Buck变换器在保证输出电压的前提下，有效地提高了变换器的动态响应，缩短了电压达到稳定值的时间。

针对上述的三电平Buck变换器给出了相应的控制方法：采用闭环控制给予控制开关PWM驱动。对照附图的控制原理框图给出的具体工作原理如下：

附图的控制原理框图给出的具体工作原理如下：

对于三电平Buck电路的多模态工作，适合采用滑模控制来实现和改善变换器输出电压的动态品质。以闭环的输出电压的偏差及其微分和积分为状态变量，则有：

x₁＝V_ref-V_o,₃＝∫(V_ref-V_o)dt

设滑模控制切换函数为

s(x)＝k₁x₁+k₂x₂+k₃x₃

滑模控制其等效控制为

$u_{eq}=-\frac{L_{f}s}{L_{g}s}$

把滑模变结构的等效控制等价为脉宽占空比d，从而实现对三电平Buck变换器的定频控制，即d＝u_eq

对于飞跨电容电压非线性的特性，适合采用模糊PID控制来实现飞跨电容电压的品质。以闭环的飞跨电容电压的偏差及其微分为状态变量，通过模糊控制器分别对K_p，K_i，K_d三个参数进行实时在线修正。

本发明通过合理地改善电路拓扑，控制开关管的导通顺序，有效地提高了该变换器的动态性能，缩短了变换器达到稳定电压的所需时间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。