Boost電路及雙閉環(huán)PI控制仿真實(shí)驗(yàn)分析

周訊杰

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司寶應(yīng)縣供電分公司，江蘇 揚(yáng)州 225800

0 引言

直流/直流轉(zhuǎn)換電路，即DC/DC轉(zhuǎn)換電路（DC/DC Converter），是轉(zhuǎn)變輸入電壓后輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換電路。關(guān)于DC/DC轉(zhuǎn)換電路的研究，是從20世紀(jì)70年代開(kāi)始。DC/DC轉(zhuǎn)換電路是電力電子設(shè)備的核心結(jié)構(gòu)，其工作狀態(tài)影響整個(gè)電力電子系統(tǒng)的工作性能。通常情況下，可以采用DC/DC轉(zhuǎn)換電路保持輸出電壓的穩(wěn)定性[1]。

DC/DC轉(zhuǎn)換電路具有高效率、高功率密度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在通信、計(jì)算機(jī)、工業(yè)設(shè)備、家電等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。DC/DC轉(zhuǎn)換電路中包含功率開(kāi)關(guān)元件、二極管等非線性元件，因此是非線性系統(tǒng)[2]。各種電子裝置需要使用不同電壓等級(jí)的直流電源供電，其中，大型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部通常采用高頻開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換電路。高頻開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換電路作為一種特殊的DC/DC轉(zhuǎn)換電路，與線性系統(tǒng)相比，具有高效、高功率密度、低成本的顯著優(yōu)勢(shì)，因而廣泛應(yīng)用于電力轉(zhuǎn)換的許多領(lǐng)域。

DC/DC轉(zhuǎn)換電路分為隔離型和非隔離型，隔離型包括反激、正激、半橋等電路，而非隔離型包括Buck、Boost、Buck-Boost等電路。在許多情況下，需要從低壓電源轉(zhuǎn)換為高壓電源，Boost（升壓型）電路是最基本也是最常用的轉(zhuǎn)換電路。并且，幾乎全部的Boost電路都涉及雙環(huán)（即電壓環(huán)和電流環(huán)）控制。

近20年，MATLAB軟件的Simulink仿真已成為電力和電子技術(shù)研究的有力工具。MATLAB語(yǔ)言的強(qiáng)大仿真功能和便利性受到使用者的喜愛(ài)。文章針對(duì)雙閉環(huán)PI控制Boost電路，使用MATLAB軟件在Simulink中進(jìn)行模擬模型構(gòu)建和模擬測(cè)試，剖析了雙閉環(huán)PI控制的原理。

1 Boost電路的應(yīng)用場(chǎng)景

基本的Boost電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在一般升壓場(chǎng)合得到了普遍應(yīng)用。

1.1 用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)

Boost電路用于直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通常將電力還原到直流電源，用于直流馬達(dá)的再生制動(dòng)[3]。

1.2 用于單相功率因數(shù)校正

大范圍、急速變化的電流、電壓給電力網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了嚴(yán)重的電磁干擾（Electromagnetic interference, EMI）問(wèn)題。各國(guó)政府和國(guó)際機(jī)構(gòu)制定了限制逆變器輸入諧波電流和功率因數(shù)的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此，需要采用功率因數(shù)校正（Power factor correction, PFC）技術(shù)。Boost電路能夠提高功率因子（Power factor, PF），可以用作PFC轉(zhuǎn)換電路[4]。

1.3 用于其他交直流電源

Boost電路主要用于低壓微源并入網(wǎng)絡(luò)發(fā)電、新能源電動(dòng)汽車、不間斷電源（UPS）等領(lǐng)域。多級(jí)Boost電路越來(lái)越受關(guān)注，這是因?yàn)槠潆妷涸鲆孑^高，元件應(yīng)力較低，紋理波較??；電氣隔離型Boost電路在分布式電源、電動(dòng)機(jī)車燃料電池及通信衛(wèi)星等應(yīng)用場(chǎng)合得到廣泛關(guān)注；研究響應(yīng)速度快、高可靠性的雙向Boost電路在混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用中有著十分重要的意義。

2 Boost電路的發(fā)展近況

2013年，北京科技大學(xué)的閻群等[5]設(shè)計(jì)了一種新型Boost電路，該新型Boost電路拓?fù)浜?jiǎn)潔性好，適用于電動(dòng)汽車燃料電池行業(yè)。2016年，重慶大學(xué)的羅全明等[6]設(shè)計(jì)了具有倍壓?jiǎn)卧母咴鲆鍮oost電路，該轉(zhuǎn)換電路可以減小開(kāi)關(guān)管電壓尖峰和二極管電壓應(yīng)力等。2017年，西南交通大學(xué)的唐麗等[7]設(shè)計(jì)的新型高增益Boost電路能夠通過(guò)較小的占空比獲得更強(qiáng)的電壓增益。同時(shí)，該新型轉(zhuǎn)換電路可以通過(guò)降低開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與二極管反向恢復(fù)時(shí)的損壞，達(dá)到減小功率損耗的目的，但該轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度較大。

3 Boost電路的運(yùn)行模式

DC/DC轉(zhuǎn)換電路包括直接變流電路和間接變流電路兩大類。其中，直接變流電路也稱斬波電路（DC Chopper）?！皵夭ā弊畛跏侵冈陔娏\(yùn)用中，出于某種需要，將正弦波的一部分“斬掉”。例如，在電壓為50 V時(shí)，用電子元件截止其中的50～0 V的部分，使輸出電壓為0。后來(lái)，“斬波”用到DC/DC轉(zhuǎn)換電路中，主要是指在開(kāi)關(guān)電源調(diào)壓過(guò)程中，原來(lái)為一條直線的電源被線路“斬”成一塊一塊的脈沖。Boost電路（Boost Chopper）作為基本斬波電路中的一種，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，S為開(kāi)關(guān)管，L為電感，C為電容，D為二極管，Vi為電源，Vo、R為負(fù)載。

圖1 Boost電路結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 連續(xù)導(dǎo)通模式（Continuous conduction mode,CCM）

在連續(xù)導(dǎo)通模式下，從開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷至下個(gè)周期開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通前，電感L一直處于能量釋放狀態(tài)。電路有2個(gè)運(yùn)行過(guò)程，分別為開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)電源Vi對(duì)電感L充電，以及開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷時(shí)電感L通過(guò)二極管D給負(fù)載放電。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，電源Vi上的能量通過(guò)電感L形成一條回路，可以給電感L充電，此時(shí)負(fù)載R上的能量完全由電容C提供，相當(dāng)于拆分成2個(gè)電路。中間的二極管D處于關(guān)斷狀態(tài)，因此2個(gè)電路是隔開(kāi)的，沒(méi)有連接。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，電感L的能量通過(guò)二極管D釋放，此時(shí)二極管D導(dǎo)通。除了釋放電感L的能量，輸入電源Vi也接在二極管D上面，相當(dāng)于電源Vi和電感L的能量同時(shí)向負(fù)載提供。

3.2 斷續(xù)導(dǎo)通模式（Discontinuous conduction mode, DCM）

在斷續(xù)導(dǎo)通模式下，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，電感L同時(shí)向負(fù)載R和電容C放電。電感L不可能一直放電，在電感L放電的過(guò)程中電流會(huì)減小，可能存在減小至0以后停住的過(guò)程。

在斷續(xù)導(dǎo)通模式下，與CCM相比，在一個(gè)充放電周期內(nèi)，電路的2個(gè)運(yùn)行過(guò)程變?yōu)?個(gè)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，電源Vi對(duì)電感L充電，電容C向負(fù)載R放電，這一過(guò)程和CCM相同；在開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷且電感L能量釋放完之前（電感L電流減小至0之前），電感L通過(guò)二極管D向電容C和負(fù)載R提供能量，這一過(guò)程也和CCM相同；當(dāng)電感L的電流減小至0以后，由于輸出電壓比輸入電壓高，二極管D會(huì)截止，此時(shí)，負(fù)載R的能量完全由電容C提供，這就是增加的第3個(gè)過(guò)程，即開(kāi)關(guān)管S和二極管D全部關(guān)斷的情況。在開(kāi)關(guān)管S閉合期間，電感L與電容C上的電壓與CCM一致；電感能量放完后，在開(kāi)關(guān)管S的導(dǎo)通信號(hào)未到達(dá)的情況下，負(fù)載電流僅由電容C提供。

4 雙閉環(huán)PI控制的原理

雙閉環(huán)控制原理框圖如圖2所示，大部分升壓型功率因數(shù)校正控制方法都涉及雙閉環(huán)控制。圖中，Uref為參考電壓，取650 V；Vin為輸入電壓，取500 V；Iin為電源的輸入電流，即電感中流過(guò)的電流iL；PI控制器為比例積分控制器。

圖2 雙閉環(huán)控制原理框圖

雙閉環(huán)控制的外環(huán)是電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。電壓環(huán)以給定的參考值為依據(jù)進(jìn)行控制；電流環(huán)可以跟蹤輸入電壓。在CCM操作模式中，存在電壓、電流負(fù)反饋控制環(huán)路。當(dāng)存在擾動(dòng)時(shí)，輸出端具有很強(qiáng)的抑制擾動(dòng)的能力。比較輸出電壓U0與基準(zhǔn)電壓Uref，得到的誤差可以通過(guò)電壓控制器PI運(yùn)算輸出。讓輸入電流跟蹤輸入電壓，電流信號(hào)和輸入側(cè)的電壓采樣信號(hào)可以達(dá)到同相位，電流控制器也采用PI控制器。電流環(huán)的給定值是輸入電壓Vin和電壓環(huán)的輸出電流的乘積，可使電流環(huán)的輸出電流和輸入電壓相同。

5 MATLAB/Simulink建模

MATLAB可以提供波形輸出和數(shù)據(jù)輸出，是一種強(qiáng)大的模擬軟件，并且無(wú)論對(duì)哪個(gè)元件和電路進(jìn)行模擬，都可以獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。利用MATLAB模擬分析方法，可以直觀地描述Boost電路從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)的操作過(guò)程，并且可以詳細(xì)、深入地分析其中的各種現(xiàn)象，以便掌握Boost電路的操作特性。雙閉環(huán)PI控制Boost電路的仿真圖如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)PI控制Boost電路的Simulink建模

模型模擬的參數(shù)如下：

（1）設(shè)置電源電壓為500 V，內(nèi)部電容為1 500 μF；

（2）電源內(nèi)部電阻為0.01 Ω；

（3）脈沖發(fā)生器（pulse generator）的脈沖頻率f=106Hz；

（4）IGBT的參數(shù)保持默認(rèn)值；

（5）負(fù)載的電阻值為100 Ω；

（6）電感L為3 600 μH，電容C為1 100 μF。

6 模擬結(jié)果分析

設(shè)置仿真時(shí)間為0.1 s，算法采用ode45，得到輸出電壓V0的波形，如圖4所示。

根據(jù)圖4，在經(jīng)歷了0.01 s左右的波動(dòng)后，電壓穩(wěn)定在650 V左右，與參考值保持一致。可見(jiàn)，Boost電路通過(guò)控制主電路的導(dǎo)通和斷開(kāi)，將一定的直流斬?cái)酁閿嗬m(xù)方波，然后變?yōu)橹绷鬏敵鲭妷骸?/p>

圖4 輸出電壓V0的波形