升压变换器多模式切换控制方法

1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种boost变换器不同操作模式的切换控制方法。


背景技术：

2.近年来，燃料电池由于其便于携带而被广泛应用在电源行业，但是燃料电池具有典型的伏安特性，它的输出电压根据输出电流的变化而变化，因此，为了调节它的输出电压需要一个dcdc变换器。而我们知道，dcdc变换器不仅可以工作在连续导通模式(ccm)，也可以工作在非连续导通模式(dcm)。但是不同的操作模式会使得升压变换器在频域中的动态特性显著不同。因此，为了确保升压变换器稳定运行，通常设计低带宽的电压模式控制来解决。
3.目前针对不同操作模式的dcdc变换器研究主要分为两种思路。一种是把在dcm中运行的dcdc变换器考虑它的降阶模型和全阶模型进行平均建模，以此把不同操作模式下的 dcdc变换器统一到平均状态空间模型；另一种则是设计不同的控制算法来实现dcdc变换器不同操作模式的切换，常用的切换算法有：设计数字电压模式控制器的自适应调谐算法来实现从dcm到ccm的切换；在单相升压功率因数校正(pfc)变换器中设计混合模式的预测电流控制；以及在dcm模式中设计非线性平均电流控制等方案。


技术实现要素：

4.以上提出的方法都可以实现不同操作模式的快速切换，提高切换速度，但是都需要复杂的模拟电路作为支撑。因此为了实现不同操作模式下的全数字切换，本文提出了一种升压变换器多模式切换控制方法。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
5.升压变换器不同操作模式的切换控制方法，包括以下步骤：
6.步骤1.根据负载的大小判断boost变换器的电路处于非连续导通模式(dcm)和连续导通模式(ccm)之间的变化，如果负载跃变过程中是dcm向ccm模式切换，进入步骤2；否则如果ccm向dcm模式切换则进入步骤3；
7.步骤2.当负载跃变使得升压变换器的操作模式从dcm向ccm模式切换时，根据设计的切换控制律经过一次开通和关断实现操作模式的切换；
8.步骤3.当负载跃变使得升压变换器的操作模式从ccm向dcm模式切换时，根据设计的切换控制律经过一次开通和关断实现操作模式的切换；
9.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。
10.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。
11.进一步地，所述boost变换器可以工作在连续导通模式(ccm)和非连续导通模式(dcm) 两种模式下。
12.进一步地，本发明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。
13.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
14.本发明所提出基于自然轨迹进行的在不同操作模式下的切换控制，通过使用状态平面分析来实现开关管开通和关断操作，使得升压变换器以最快的速度实现不同操作模式切换。
附图说明
15.图1为boost变换器的简化电路原理图；
16.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。
17.图2为boost变换器在连续导通模式(ccm)下开关管mosfet开通和关断的归一化轨迹图。
18.图3为boost变换器在非连续导通模式(dcm)下开关管mosfet开通和关断的归一化轨迹图。
19.图4为本发明控制方法的结构框图。
20.图5为boost变换器从dcm模式向ccm模式切换的本发明简化最优时间动态控制图；
21.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。
22.图6为boost变换器从ccm模式向dcm模式切换的本发明简化最优时间动态控制图；
23.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。
24.图7为boost变换器从dcm模式向ccm模式切换时，本发明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。
25.图8为boost变换器从ccm模式向dcm模式切换时，采用本发明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
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
27.本发明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。
28.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，tn＝t*fo，其中，vr为参考电压，fo为固有频率， l和c分别是电感感值和电容容值，zo为特征阻抗，
29.衡量升压变压器工作在不同操作模式取决于它的负载电阻与临界电阻的比较；而临界电阻定义为：
[0030][0031]
其中l是电感值，d是占空比，ts是开关频率；如果负载电阻r大于r
crit
，则升压变换器工作在dcm模式；否则工作在ccm模式。
[0032]
当升压变换器工作在连续导通模式(ccm)下，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，vo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]
同理，当升压变换器工作在非连续导通模式(dcm)下，相比于连续导通模式(ccm)，在二极管导通阶段d意味着电感电流在开关周期内的某个时间段内达到零(i
l
(t)＝0)，此时开关处于关闭状态。在这一时间段内的输出电压和电感电流的状态方程为：
[0045][0046]
所以在dcm模式下，电感电流和输出电压的归一化相轨迹如图3所示。
[0047]
升压变换器不同操作模式的切换控制方法如图4所示，包括以下步骤：
[0048]
步骤1.根据负载的大小判断boost变换器的电路处于非连续导通模式(dcm)和连续导通模式(ccm)之间的变化，如果负载跃变过程中是dcm向ccm模式切换，进入步骤2；否则如果ccm向dcm模式切换则进入步骤3；
[0049]
步骤2.当负载跃变使得升压变换器的操作模式从dcm向ccm模式切换时，根据设计的切换控制律经过一次开通和关断实现操作模式的切换；
[0050]
如图5.a所示，当升压变换器从dcm向ccm模式切换时，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1,3中间选择了一个暂态工作点2’。根据上一节推导的升压变换器的开通和关断轨迹，我们可以得到，工作点3处的开通和关断轨迹分别为：
[0051][0052][0053]
其中，i
on3
是工作点3出的负载电流。
[0054]
基于以上理论的分析，我们给出从dcm向ccm模式切换的控制律为：
[0055][0056]
图5.a所示升压变换器从dcm向ccm操作模式动态切换过程的电感电流和输出电压的相轨迹图，图5.b和图5.c分别表示输出电压和电感电流随时间变化的示意图。
[0057]
步骤3.当负载跃变使得升压变换器的操作模式从ccm向dcm模式切换时，根据设计的切换控制律经过一次开通和关断实现操作模式的切换；具体过程如图6所示：
[0058]
图6为升压变换器从ccm模式向dcm模式切换时本发明的切换控制示意图，工作点3 是轻载时已知的期望目标工作点，所以在轻载时其操作点的开通和关断轨迹分别为：
[0059][0060][0061]
基于以上的理论分析，我们可以得到升压变换器从ccm模式向dcm模式切换时的控制律为：
[0062][0063]
实施例1
[0064]
采用本发明控制方法对boost变化器进行控制仿真，当变化器的电路参数如表1所示。
[0065]
电阻从0.25a到2a(dcm到ccm)电压变化和电感电流的仿真如图7所示，从上述图中可以看出，负载从2.5a到5a跃变时，输出电压动态恢复时间大约6ms。到达输出电压的期望工作点；电阻从2a到0.25a(ccm到dcm)电压变化和电感电流的仿真如图8所示，从上述图中可以看出，输出电压动态恢复时间大约0.4ms。到达输出电压的期望工作点，而且电压过冲最大值大约为50.2v左右，电压偏差大约为0.2v。综合以上分析方法，我们发现本文所提出基于自然轨迹进行的在不同操作模式下的切换控制，通过使用状态平面分析来实现开关管开通和关断操作，使得升压变换器以最快的速度实现不同操作模式切换。
[0066]
表1
[0067]
参数值v
cc
25vvo50vfs25khzl310μhc33μfd0.5r200ω
[0068]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。