一種新型升壓DC-DC變換器

段玥彤

（江蘇省張家港中等專業學校）

0 引言

開關電源在日常居民的生產生活中被廣泛應用，開關電源的核心在于其控制策略，其控制方法吸引了眾多國內外學者的關注和研究。在當今集成電路技術快速蓬勃發展的背景下，由于開關電源的主要特征是效率高、體積小、數字化，使得國內外大量學者均集中研究開關電源數字化，該領域成為了開關電源的研究熱點之一［1-2］。

DC-DC boost變換器是開關電源中的一種，其能夠將輸入側低壓直流電變換為輸出側高壓直流，可以將其理解為直流升壓變壓器，其主要應用在將直流低壓轉換為直流高壓的場合［3］。目前該變換器主要的控制方法是無電流傳感器控制法，該方法具有電路能耗比低、穩態性好等特點。但該方法抗干擾能力差、易受外界環境干擾、電流測量成本高，一旦出現外界干擾或內部擾動，將會導致輸出電壓不穩定［4-5］。

論文在理論分析的基礎上建立了狀態觀測模型，能夠實時計算出DC-DC型boost電路中電容和電感的輸出信號，進而可以對電路輸出數值進行數字化控制。為了驗證該方案的可行性，論文基于Matlab軟件建立模型，并設定干擾信號，來驗證電路輸出的穩定性。仿真結果表明，當電路出現干擾或負載出現波動時，論文建立的DC-DC boost變換器電路拓撲結構均能夠快速穩定，提高了開關電源的穩定性和可靠性。

1 變換器電路拓撲數學建模

1.1 控制策略

在實際應用中，開關電源電路拓撲結構會隨需求變化而進行變動，開關電源傳統的控制策略主要是PID控制，將采集系統的輸出電壓與設定的輸出值進行比較，然后通過微分積分比例運算后，調節輸入信號，進而控制輸出數值，該控制策略穩定性較好，但也存在一定局限性［6］。一旦負載發生快速增大或快速減小，或者是大幅度調節輸入信號，其輸出瞬態響應性能較差，無法滿足實際工程要求。基于此論文提出的滑模控制方法采用非線性控制，具有瞬態響應快、跟隨性強的特點，能夠滿足DC-DC boost輸出控制響應快的要求。滑模控制原理是將控制系統由外部運動變換至平面內之后，運動到給定或設定的點，相當于設置一個新的平面，該平面決定了整個控制系統的特性，使外部環境或系統內因素無法對其造成干擾，進而實現快速穩定［7］。

1.2 建立模型

DC-DC boost電路結構如圖1所示，從圖1中可以看到，該電路主要包括晶體管、模擬負載的電阻、濾波的電感及穩壓的電容。晶體管是三端口，由一個端口的輸入信號控制另外兩個端口的導通和關斷。當控制信號使得P1晶體管導通，而使P2晶體管關斷時，通過觀察電路可得，輸入電壓的回路經過電感L、負載電阻R、電容C然后返回負極，在這個過程中輸入電壓Ui給電容充電同時給負載R供電。而當控制信號使得P1晶體管關斷、P2晶體管導通時，此時的導通回路則是電感L、電容C、負載電阻R、P2晶體管，已經儲能的電容C將通過負載電阻進行放電，同時也會通過晶體管P2對電感進行放電，此時電感主要起到的作用是穩壓，防止負載電阻R上的電壓發生突變，從而降低電壓波形畸變，提高電壓的質量。合理控制驅動信號加上合適的電容和電感選擇值，會促使輸出電壓U0更加穩定，由基爾霍夫電流（KCL）和基爾霍夫電壓（KVL）定律可得到該拓撲電路的數學模型。

圖1 DC-DC boost變換器電路結構圖

當P1晶體管導通而P2晶體管關斷時，模型如公式（1）、（2）所示。

當P1晶體管關斷而P2晶體管導通時，模型如公式（3）、（4）所示。

2 DC-DC boost變換器在滑模控制技術下的仿真驗證

為了進一步分析DC-DC boost變換器數學模型能否滿足工程對動態快速響應的要求，論文基于Matlab仿真軟件進行驗證。仿真的框架流程如圖2所示，主要包括boost變換器部分、狀態觀測、驅動信號控制裝置、輸入和輸出信號。整個仿真分析流程可以進一步概括為，狀態觀測裝置會觀測DC-DC boost輸出端的電容電壓UC和電感電流IL，然后結合輸入電壓Ui經過滑模控制運算后輸出得到控制信號，該控制信號可以控制輸出PWM波形，PWM波形進而控制兩個晶體管的開通和關斷，從而最終控制輸出電壓，通過不斷地調整各參數使得輸出電壓數值滿足預期要求。

圖2 軟件仿真信號控制流程圖

2.1 狀態觀測值與真實值對比分析

利用Matlab軟件對比分析拓撲電路中的狀態觀測值和真實值，拓撲電路的電感、電容、負載、輸入和輸出電壓參數見下表。按照表中的變換器參數進行仿真分析。

表 變換器各參數

仿真的結果如圖3和圖4所示。從圖3可以得到，變換電路中電感電流觀測值與真實值在0.15ms之前有一定的波動，但是在0.15ms以后這種波動及誤差幾乎可以忽略不計，仿真結果表明，拓撲電路中電感電流觀測值能夠很好匹配真實值。

圖3 變換電路中電感電流觀測值與真實值對比

圖4 變換電路中電容電壓觀測值與真實值對比

從圖4可以得到，拓撲變換電路中電容電壓觀測值與真實值在0.2ms之前，二者曲線相差較大，但是在0.2ms以后二者曲線相互重疊，這表明電容電壓觀測值與真實值匹配性非常好，即拓撲電路中觀測值能夠替代真實值。綜上，通過拓撲電路中的電感電流和電容電壓的真實值和觀測值對比分析可以得到，二者偏差非常小，能夠滿足預期設計要求。

2.2 負載電壓仿真分析

傳統的DC-DC boost拓撲電路主要采用PID控制策略，該控制策略對于負載突變的快速響應能力較差。對此，論文采用非線性滑模控制技術以加快電路的響應速度。為了對比研究分析傳統PID控制與滑模控制效果，基于Matlab軟件，論文設定一個擾動然后觀察輸出電壓的波形，仿真的結果如圖5所示。在正常運行拓撲電路中0.4ms時人為設定一個擾動，從圖中可以看到兩個波形均出現擾動，證明了設定擾動的有效性。圖5中上方變化波形為PID控制輸出波形，下方波形為滑模控制輸出電壓波形，從圖中看到，PID控制波形波動最大幅值約0.025V，采用滑模控制的波形最大波動幅值約為0.008V，表明滑模控制技術輸出波形波動幅度更小，輸出更加穩定。從穩定時間來看，滑模技術控制的電壓輸出波形僅有一個波動，時間約為0.01ms，而傳統PID輸出電壓波形穩定的時間約為0.2ms，且在該段時間內出現上下波動情況，而滑模控制技術僅有一段向下波動。通過對仿真結果的分析我們可以得到滑模控制技術要優于傳統的PID控制技術，更適用于快速響應要求高的開關電源。

圖5 滑模控制技術與PID控制技術擾動后輸出電壓變化趨勢

3 結束語

開關電源回路中的核心是控制，傳統的開關電源控制策略是采用PID控制，但該控制方法動態響應速度差，一旦負載突變或輸入電壓快速調節，輸出電壓無法有效跟隨。基于這個背景，論文提出建立新型拓撲電路，利用狀態觀測估計電路結構中的電感和電容數值，通過估算出的數值控制驅動裝置來調節輸出電壓，以達到設定的輸出期望值。同時基于仿真軟件進行驗證分析，仿真結果表明狀態觀測值能夠很好地替代真實值。同時在拓撲電路中設定一個擾動，來進一步仿真分析傳統PID調控和采用滑模控制的輸出數據動態收斂性，仿真結果表明，采用滑模控制策略能夠實現快速收斂，表明新型控制策略具有較好的動態響應特性，具備較強的抗干擾能力，能夠滿足工業系統對于控制的要求。