一種自適應(yīng)Z源升壓變換器系統(tǒng)的仿真研究

高文根 黃德元 牛明強(qiáng) 李云飛

(1.安徽工程大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000;2.蕪湖奇瑞科技有限公司，安徽 蕪湖 241000)

傳統(tǒng)的升壓變換器存在拓?fù)渚窒扌?，?shí)際輸出電壓有限。為了解決這些不足，彭方正教授提出了基于Z源的升壓變換器［1］。該Z源升壓變換器在傳統(tǒng)BOOST變換器的前端加上一個(gè)由電感電容組成的X型網(wǎng)絡(luò)取代原有的電感，通過控制主開關(guān)導(dǎo)通比，此變換器在導(dǎo)通比小于0.5的時(shí)候就能達(dá)到理想的升壓比。但目前對(duì)Z源直流變換電路拓?fù)涞难芯看蟛糠志窒抻陂_環(huán)控制，在輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，此系統(tǒng)不能及時(shí)有效地做出調(diào)整，不能保證輸出電壓的穩(wěn)定。

針對(duì)此問題，本次研究采用分段比例調(diào)節(jié)的控制方法，設(shè)計(jì)一種能自適應(yīng)調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種控制策略能夠在輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，保持輸出電壓穩(wěn)定。通過Matlab軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果證明了此方法的有效性。

1 主電路結(jié)構(gòu)

基于Z源的自適應(yīng)升壓變換器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由于Z源內(nèi)部本身具有升壓功能，所以該結(jié)構(gòu)在開關(guān)管導(dǎo)通比相同的條件下，能夠比傳統(tǒng)的升壓電路提供更高的輸出電壓。其中D1、D2的作用是使電流單向流動(dòng)防止電流的反向灌流。導(dǎo)通比調(diào)節(jié)控制單元為整個(gè)系統(tǒng)的反饋控制單元，通過對(duì)輸入輸出電壓的采樣來計(jì)算開關(guān)管Q1的導(dǎo)通比，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

在Z源結(jié)構(gòu)中L1和L2電壓值很大且相等，C1和C2電壓值很大且相等，有UL1=UL2=UL，UC1=UC2=UC。

圖1 自適應(yīng)Z源升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 控制策略與仿真模型

采用分段比例調(diào)節(jié)控制策略的原理就是，由開關(guān)管導(dǎo)通比D和輸入輸出電壓值Ui、Uo之間的關(guān)系式確定需要輸出的額定直流電壓，通過對(duì)輸入和輸出的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，依據(jù)不同的條件對(duì)采樣值進(jìn)行分段處理計(jì)算，從而計(jì)算出能保持輸出電壓穩(wěn)定的開關(guān)管導(dǎo)通占空比D。

設(shè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為DT，T為開關(guān)周期。由穩(wěn)態(tài)電感磁通守恒規(guī)律可知，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感兩端電壓平均值為0?？梢缘玫?

其中UL為Z源電感兩端電壓，UC為Z源電容兩端電壓。

由式(1)、(2)可得:

由式(3)、(4)可得占空比D與輸入輸出電壓Ui、Uo之間的關(guān)系為:

由式(5)得到D與Ui、Uo之間的關(guān)系，假設(shè)系統(tǒng)期望的穩(wěn)定輸出電壓為U*o，紋波為γ，則分段函數(shù)為:

由式(6)可以構(gòu)建出開關(guān)管導(dǎo)通比控制單元，當(dāng)輸出電壓的紋波在誤差范圍之內(nèi)，則利用期望穩(wěn)定輸出電壓值U*o計(jì)算占空比D，否則采用輸出電壓采樣值Uo計(jì)算占空比D。

采用Matlab構(gòu)建分段比例調(diào)節(jié)控制單元模塊如圖2所示。用三角波作為載波，將通過計(jì)算得到的導(dǎo)通比D與之相加減，就可以構(gòu)建出一個(gè)占空比可調(diào)的PWM波控制模塊即分段比例調(diào)節(jié)控制單元，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Q1開關(guān)管的導(dǎo)通比調(diào)節(jié)。

期望穩(wěn)定輸出電壓值為300 V，Z網(wǎng)絡(luò)L1、L2的自感取3 mH，電容器C1、C2的電容取1 000 μF，搭建系統(tǒng)Matlab仿真模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 分段比例調(diào)節(jié)控制單元模塊

圖3 系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)

3 仿真結(jié)果分析

仿真模型的期待穩(wěn)定輸出電壓值為300 V，設(shè)定輸出紋波為1%。保持負(fù)載不變，到達(dá)0.35 s時(shí)輸入電壓由100 V突變?yōu)?20 V。傳統(tǒng)Z源升壓變換器輸出電壓波形如圖4所示，到0.35 s時(shí)由于輸入電壓的增加，輸出電壓也隨之發(fā)生波動(dòng)，到達(dá)0.45 s恢復(fù)穩(wěn)定到300 V，波動(dòng)幅值較大。采用分段比例調(diào)節(jié)自適應(yīng)控制后，輸出電壓波形如圖5所示，輸出電壓到達(dá)0.35 s時(shí)發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)幅值較小，到0.4 s恢復(fù)穩(wěn)定到300 V。

圖4 輸入電壓突變時(shí)傳統(tǒng)Z源升壓變換器輸出電壓波形

圖5 輸入電壓突變時(shí)采用分段比例調(diào)節(jié)自適應(yīng)控制Z源升壓變換器輸出電壓波形

保持輸入電壓不變，到達(dá)0.35 s時(shí)系統(tǒng)的負(fù)載由100 Ω突變?yōu)?0 Ω，傳統(tǒng)Z源BOOST變換器輸出電壓波形如圖6所示，到達(dá)0.35 s時(shí)負(fù)載突然增大，輸出電壓陡降，到達(dá)0.45 s之后開始趨于穩(wěn)定。采用分段比例調(diào)節(jié)自適應(yīng)控制后，輸出電壓波形如圖7所示，輸出電壓因負(fù)載陡增所產(chǎn)生的波動(dòng)較小，且在0.4 s即穩(wěn)定保持期望輸出電壓300 V。

從以上仿真結(jié)果分析中可以看出，與傳統(tǒng)Z源升壓變換器比較，加入分段比例調(diào)節(jié)控制單元的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，在輸入電壓或負(fù)載突變時(shí)，輸出電壓波動(dòng)幅度與恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間都明顯減小。因此，加入分段比例調(diào)節(jié)控制單元的自適應(yīng)Z源升壓變換器具有更好的穩(wěn)定性，仿真結(jié)果表明本次控制策略設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖6 負(fù)載突變時(shí)傳統(tǒng)Z源升壓變換器輸出電壓波形

圖7 負(fù)載突變時(shí)采用分段比例調(diào)節(jié)自適應(yīng)控制Z源升壓變換器輸出電壓波形

4 結(jié)語

本次研究采用分段比例調(diào)節(jié)控制策略，實(shí)現(xiàn)Z源升壓變換控制系統(tǒng)能在輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。通過Matlab搭建仿真模型，對(duì)控制策略實(shí)施仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了分段比例調(diào)節(jié)應(yīng)用在Z源升壓變換系統(tǒng)中的準(zhǔn)確性和有效性。

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