基于滑模變結(jié)構(gòu)的交錯并聯(lián)Boost 電路均流控制研究?

吳社民，李素敏

(1.安陽職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，河南 安陽 455000；2.許昌電氣職業(yè)學院電氣工程系，河南 許昌 461000)

能源的合理利用一直是現(xiàn)階段能源行業(yè)研究者所關(guān)注的重點方向，Boost 電路因其優(yōu)越的直流變換能力而被廣泛應用于功率因數(shù)校正、光伏發(fā)電等領(lǐng)域[1－2]。而多路交錯并聯(lián)型Boost 電路更是因其電感電流應力較小、利于電流均分等優(yōu)點常常代替單路Boost 電路[3]。

現(xiàn)今對多路交錯并聯(lián)型Boost 電路的研究主要包括電路結(jié)構(gòu)分析、控制方法、均流方法等。文獻[4]為了提升DC/DC 變換器的電壓增益，提出了可拓展的高增益耦合電感交錯并聯(lián)Boost 電路。文獻[5]利用同相耦合電感的特點給出了Boost 端同相耦合電感交錯并聯(lián)Buck-Boost 電路結(jié)構(gòu)。文獻[6]在傳統(tǒng)交錯并聯(lián)Boost 電路的基礎(chǔ)上添加了輔助電路，實現(xiàn)開關(guān)管的零電流開通，降低了電路的開關(guān)損耗。文獻[7]提出一種適用于三相交錯并聯(lián)Boost 電路的雙閉環(huán)控制策略，降低了相電流紋波。文獻[8]通過小信號模型建模的方式，設計了電流環(huán)和電壓環(huán)內(nèi)模控制器。文獻[9]在傳統(tǒng)交錯并聯(lián)Boost 電路中加入開關(guān)電容，從而提高能量利用率，同時采用混合閉環(huán)控制方法降低了輸出電壓的超調(diào)量。

本文以三路交錯并聯(lián)Boost 電路為研究對象，通過電壓電流雙閉環(huán)控制方法對電路的輸出電壓以及三路電感電流進行控制，同時采用調(diào)制波交錯相移的方式實現(xiàn)電感電流的均流控制。

1 三路交錯并聯(lián)Boost 電路結(jié)構(gòu)

圖1 為三路交錯并聯(lián)Boost 電路結(jié)構(gòu)圖，圖中，直流側(cè)穩(wěn)壓源為Udc，直流側(cè)穩(wěn)壓電容為C1，三路交錯并聯(lián)Boost 電路的三個電感用Ly表示，R表示負載。y＝1，2，3。

圖1 三路交錯并聯(lián)Boost 電路結(jié)構(gòu)圖

三路交錯并聯(lián)Boost 電路相對于單路Boost 電路，所選的二極管和開關(guān)器件無需分開選取，集成模塊使得器件體積更小。三路交錯并聯(lián)Boost 電路的電壓頻率提升3 倍，能夠使得輸出電容的容值降低3 倍，但提升電容值能夠降低輸出電壓波動。

2 電路分析

在分析電路之前，首先需要假設幾個條件:

①所有器件都是理想器件；②輸出電容是無限大容量電容。

因此，如圖2 所示，可以總結(jié)三路交錯并聯(lián)Boost 電路的八種工作模式為:

圖2 八種工作模式

工作狀態(tài)1:電路中三個IGBT S1、S2、S3均導通，直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)三個電感L1、L2、L3后流經(jīng)三個IGBT 構(gòu)成回路，因此，C1放電供給后級逆變器。三個電感上電壓均為左正右負，三路二極管均處于關(guān)斷狀態(tài)，三路電感電流都上升。

工作狀態(tài)2:S1、S2導通，S3關(guān)斷，直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)兩個電感L1、L2后流經(jīng)兩個IGBT 構(gòu)成兩個回路，兩個電感L1、L2電流都是上升。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L3、二極管D3、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L3電流下降。

工作狀態(tài)3:S1、S3導通，S2關(guān)斷，直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)兩個電感L1、L3后流經(jīng)兩個IGBT 構(gòu)成兩個回路，兩個電感L1、L3電流都是上升。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L2、二極管D2、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L2電流下降。

工作狀態(tài)4:S1導通，S2、S3關(guān)斷，直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L1后流經(jīng)S1構(gòu)成回路，電感L1電流上升。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L2、二極管D2、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L2電流下降。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L3、二極管D3、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L3電流下降。

工作狀態(tài)5:S1關(guān)斷，S2、S3導通，直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)兩個電感L2、L3后流經(jīng)兩個IGBT 構(gòu)成兩個回路，兩個電感L2、L3電流都是上升。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L1、二極管D1、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L1電流下降。

工作狀態(tài)6:S1、S3關(guān)斷，S2導通，直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L2后流經(jīng)S2構(gòu)成回路，電感L2電流上升。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L1、二極管D1、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L1電流下降。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L3、二極管D3、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L3電流下降。

工作狀態(tài)7:S1、S2關(guān)斷，S3導通，直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L3后流經(jīng)S3構(gòu)成回路，電感L3電流上升。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L1、二極管D1、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L1電流下降。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L2、二極管D2、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L2電流下降。

工作狀態(tài)8:S1、S2、S3關(guān)斷，直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L1、二極管D1、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L1電流下降。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L2、二極管D2、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L2電流下降。直流輸入電壓信號Udc流經(jīng)電感L3、二極管D3、濾波電容C1構(gòu)成回路，電感L3電流下降。

3 控制策略

三路交錯并聯(lián)Boost 電路能夠均分電壓電流，降低電壓電流應力。其采用的調(diào)制方法是在一個導通周期內(nèi)三路開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖相差120°，相互導通減小了輸入電流的紋波幅值，當三個Boost 電路的占空比均為1/3 時，輸入電流紋波為0，圖3 所示為三路交錯并聯(lián)Boost 電路的工作原理波形。

圖3 調(diào)制方法

本文提出的控制方案為電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制模式，電壓外環(huán)采用PI 控制，電流內(nèi)環(huán)采用滑模變結(jié)構(gòu)，控制結(jié)構(gòu)如圖4 所示。由相同調(diào)制波和載波生成第1 路PWM 波，另兩路PWM 波通過相移獲得。

圖4 控制框圖

滑模變結(jié)構(gòu)的設計包含滑模面選取和趨近率的設計。選取滑模面函數(shù)為:

式中:k為滑模系數(shù)且有x2＝。

滑模變結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能較好，原因就是采用趨近率去改善動態(tài)性能，本文采用一種趨近率為:

式中:k2和ε為趨近系數(shù)。

三路Boost 電路的輸出電容電壓和輸入電壓之間的關(guān)系為:

單相Boost 變換器從占空比到電感電流的傳遞函數(shù)為:

單相Boost 變換器從占空比到輸出電壓的傳遞函數(shù)為:

單相Boost 變換器從電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)為:

三路交錯Boost 變換器從占空比到電感電流的傳遞函數(shù)為:

三路交錯Boost 變換器從占空比到輸出電壓的傳遞函數(shù)為:

三路交錯Boost 變換器從電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)為:

電壓環(huán)的控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 電壓環(huán)控制框圖

圖5 中，Gcu(s)表示電壓外環(huán)的控制器傳遞函數(shù)，Gm(s)表示脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù)，Gui3(s)表示從電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)，Hu(s)表示電壓反饋增益。因此，電壓控制環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為:

4 實驗驗證

為了驗證本文所提出內(nèi)容的有效性，搭建了實驗平臺對其進行了實驗驗證，平臺如圖6 所示。

圖6 實驗平臺

如圖7 至圖9 是為了驗證本文所提方法有效性而在仿真軟件MATLAB 中做出的仿真波形，從波形中能夠看出，輸出電壓能夠被穩(wěn)定在給定值330 V。同時，從均流和不均流控制下能夠看出，均流控制下電感電流均勻分布，而不均流下的電感電流雜亂無章。

圖7 輸出電壓仿真波形

圖8 不均流時電感電流仿真波形

圖9 均流時電感電流仿真波形

圖10 至圖12 是對應仿真在圖6 中的實驗平臺中所得到的實驗波形。從波形中能夠看出，輸入電壓為50 V，輸出電壓為100 V，實現(xiàn)升壓效果，輸出電壓穩(wěn)定。從不均流以及均流的實驗波形中能夠看出，電感電流與仿真效果一致，驗證了本文所提內(nèi)容的有效性。

圖10 輸入電壓和輸出電壓實驗波形

圖11 不均流時電感電流實驗波形

圖12 均流時電感電流實驗波形

5 結(jié)論

三路交錯并聯(lián)Boost 電路相對于單路Boost 電路，具有電流應力較小、體積小，輸出穩(wěn)定等優(yōu)勢。本文提出一種基于電壓電流雙環(huán)控制方式，電壓環(huán)采用PI 控制，電流環(huán)采用滑模變結(jié)構(gòu)，同時采用了PWM相移的電感電流均流方式。實驗波形驗證了本文所提控制策略的有效性，三路交錯并聯(lián)Boost 電路輸出電壓穩(wěn)定，電感電流均流。