一種改進脈沖序列控制Boost變換器研究*

秦 明, 李靜超

(鄭州大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001)

一種改進脈沖序列控制Boost變換器研究*

秦 明, 李靜超

(鄭州大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001)

針對脈沖序列(PT)控制Boost變換器適用輸入電壓范圍窄的問題，研究了一種改進PT控制Boost變換器。介紹了改進PT控制Boost變換器的基本原理和工作過程，搭建仿真電路模型并設計硬件試驗電路，得出仿真及試驗波形，驗證了改進PT控制Boost變換器的可行性和先進性。研究表明，改進PT控制Boost變換器不僅適用輸入電壓范圍寬，且穩態、瞬態特性良好。

輸入電壓范圍； 脈沖序列控制； Boost變換器

0 引 言

石油等一次能源供應緊張，世界能源面臨前所未有的危機，且環境污染等問題日益突出，引起了世界各國的關注。新能源是解決能源危機和環境污染等問題的關鍵，綜合和高效利用各類新能源備受關注。太陽能、風能等清潔能源可再生，對于環境無污染，受到了專家學者的青睞，研究清潔能源發電技術具有重大意義，因此新能源發電技術發展迅速、前途明朗。但是，受自然環境的影響，新能源發電技術的輸出特性較復雜，電能質量難以保證，無法直接提供給用電設備，通常采用直流變換器進行特定的功率變換。如光伏發電技術，光伏陣列輸出具有非線性特征，其輸出電壓會受光照強度、環境溫度和負載情況的變化而在較寬范圍內變化[1-10]。因此，研究一種適應輸入源電壓寬范圍變化的直流變換器必不可少。

開關變換器脈沖序列(Pulse Train,PT)控制技術是近年來出現的一種新型控制技術，不同于PWM控制技術，PT控制具有更優異的瞬態性能和穩定性[11-17]。但是PT控制采用一組預定的高低能量脈沖，其受控變換器輸入電壓適用范圍窄，不適合在光伏發電等場合應用。此后出現的改進型PT控制技術主要在于優化受控變換器的輸出特性，但也不適合用于寬輸入電壓場合[18-20]。針對此類問題，本文研究了一種改進PT控制的Boost變換器。

1 基本原理和工作過程

1.1 基本原理

改進PT控制Boost變換器結構如圖1所示。在每個開關周期起始時，控制器檢測輸入電壓Uin和輸出電壓Uo，輸入電壓分為N個區間，即Uin<σ1、σn-1≤Uin<σn(1Uref，控制器發出脈沖PLn驅動開關管。按照以上控制規律，當變換器工作在穩態時，控制器發出由PHn和PLn組成的PT，PT所經歷的時間被稱為循環周期。

圖1 改進PT控制Boost變換器結構圖

綜上所述，此改進PT控制Boost變換器引入輸入電壓前饋環節，并采用多個組別控制脈沖，因此能夠適應寬范圍輸入電壓的變化。

1.2 工作過程

假設控制器采用3個組別的控制脈沖，即第一組控制脈沖PH1和PL1、第二組控制脈沖PH2和PL2、第三組控制脈沖PH3和PL3,其占空比分別為DH1和DL1、DH2和DL2、DH3和DL3。設變換器輸入基準電壓為σ1和σ2，輸入電壓據此被劃分為3個幅值區間，即Uin<σ1、σ1≤Uin<σ2、Uin≥σ2。改進PT控制Boost變換器工作過程如圖2所示。

圖2 改進PT控制Boost變換器工作過程

在每個開關周期起始時，控制器自動檢測輸入電壓和輸出電壓大小。當輸入電壓處于第一幅值區間時，即Uin<σ1，控制器選擇占空比級別最大的一組控制脈沖PH1和PL1，開關管導通時間較長，此時變換器工作在第一區間。如果Uo

2 仿真驗證

圖3 改進PT控制Boost變換器穩態工作波(Uin=6 V)

為了驗證改進PT控制Boost變換器的可行性，運用MATLAB/Simulink軟件搭建仿真試驗平臺，仿真參數如下：額定輸入電壓Uin=6 V，L=33 μH，C=2 000 μF，Uo=12 V，P=4.5 W，T=50 μs，DH1=0.7，DL1=0.25，DH2=0.5，DL2=0.16，DH3=0.3，DL3=0.1，σ1=5 V，σ2=7 V。改進PT控制Boost變換器在額定輸入電壓6 V穩定工作時,其穩態工作波形如圖3所示。由圖3(b)可知控制器發出的脈沖序列組合為PH2-2PL2-PH2-PL2，脈沖數量比例k2=2/3；由圖3(c)可以看出輸出電壓為12 V，電壓紋波約為70 mV。

圖4為改進PT控制Boost變換器瞬態工作波形。由圖4(a)、圖4(c)可知在9.2 ms時輸入電壓由3.5 V躍變至5 V，控制器發出的PT組合由3PH1-PL1-4PH1-PL1變為3PH2-PL2，輸入電壓為3.5 V時的脈沖數量比k1=3.5，輸入電壓為5 V時脈沖數量比k2=3；在9.4 ms時輸入電壓由5 V躍變至7 V，控制器發出的PT組合由3PH2-PL2變為3PH3-PL3，輸入電壓為7 V時的脈沖數量比k3=3；9.6 ms時輸入電壓由7 V躍變至9 V，控制器發出的PT組合由3PH3-PL3變為PH3-3PL3，輸入電壓為9 V時的脈沖數量比k3=1/3。由圖4(b)可以看出改進PT控制Boost變換器在輸入電壓發生變化時其輸出電壓及電壓紋波均無明顯變化，輸出電壓為12 V，電壓紋波約為80 mV，瞬態性能良好。

圖4 輸入電壓變化時改進PT控制Boost變換器工作波形

圖5為PT控制Boost變換器瞬態工作波形。由圖5(a)、圖5(c)可知在9.2 ms時輸入電壓由5.2 V躍變至7.2 V，控制器發出的PT組合由3PH-PL-4PH-PL變為PH-3PL，脈沖數量比k由3.5變化為1/3，輸出電壓紋波由70 mV抬升為100 mV。輸出電壓有一點升高。

圖5 輸入電壓變化時PT控制Boost變換器工作波形

綜上可知，改進PT控制Boost變換器不僅保留了PT控制的優點，瞬態響應速度快，穩定性強，設計簡單，而且適應輸入電壓范圍寬，輸出特性良好。

3 試驗驗證

為了驗證理論分析和仿真結果的正確性，對改進PT控制Boost變換器進行試驗研究。試驗參數和仿真參數一致，試驗結果如圖6～圖9所示。

圖6 改進PT控制Boost變換器試驗波形(Uin=4 V)

從圖6(a)波形可知改進PT控制Boost變換器在4 V輸入工作時控制器脈沖組合為PH1-PL1，由圖6(b)可知輸出電壓為12 V，電壓紋波約為70 mV。

圖7 改進PT控制Boost變換器試驗波形(Uin=6 V)

由圖7(a)可知此改進PT控制Boost變換器在6 V輸入電壓工作時控制器脈沖組合為PH2-2PL2-PH2-PL2，由圖7(b)可知變換器輸出電壓幅值為12 V，電壓紋波約為75 mV。

圖8 改進PT控制Boost變換器試驗波形(Uin=8 V)

由圖8(a)波形可以看出改進PT控制Boost變換器在8 V輸入電壓工作時控制器脈沖組合為PH3-2PL3，圖8(b)顯示了變換器輸出電壓幅值為12 V，電壓紋波約為75 mV。

圖9 PT控制Boost變換器試驗波形(Uin=4 V)

圖9顯示了PT控制Boost變換器在4 V輸入工作時的穩態波形。由圖9(a)電感電流和控制脈沖波形可知控制器發出的脈沖均為高能量控制脈沖。由圖9(b)輸出電壓和電壓紋波波形可以看出PT控制Boost變換器輸出電壓幅值為11 V，電壓紋波約為60 mV。說明PT控制Boost變換器在4 V輸入工作時失去穩態，輸出電壓幅值嚴重跌落，低于基準電壓12 V。

試驗結果表明改進PT控制Boost變換器工作范圍寬，同時具有較好的輸出特性。試驗結果和仿真結果基本一致。

4 結 語

本文以PT控制為基礎，研究了改進PT控制Boost變換器的工作原理及工作過程，仿真和試驗分析了該變換器的輸入及輸出特性。變換器增加輸入電壓前饋環節，且控制器采用多個組別脈沖調節，解決了傳統PT控制Boost變換器適用輸入電壓范圍窄的缺點。仿真及試驗結果表明改進PT控制Boost變換器適用輸入電壓范圍寬，且瞬態特性和穩定性良好。

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Research on Improved Pulse Train Controlled Boost Converter*

QINMing,LIJingchao

(School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

In order to increase the applicable input voltage scope of pulse train (PT) controlled Boost converter, an improved pulse train controlled Boost converter was studied.The principle and operational process of the improved PT controlled Boost converter were introduced.Simulation and experimental results were presented to verify the feasibility and advantage of the improved PT controlled Boost converter.Research results showed that the improved PT controlled Boost converter enjoys excellent steady and transient state performance as well as the wider input voltage scope.

input voltage scope; pulse train control; Boost converter

國家自然科學基金資助項目(51207142)

秦 明(1982—)，男，博士研究生，研究方向為電力電子系統的控制策略及電路拓撲、新能源發電技術等。 李靜超(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為開關變換器的控制方法和電路拓撲。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0017- 05

2016 -09 -20