[發明專利]一種四開關升降壓變換器的雙時間尺度優化控制方法

在審

• 申請號: 202210576736.8
• 申請日: 2022-05-25
• 公開（公告）號: CN114825935A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 吳琪;張云雷;王珂;李友光;陳夏冉
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第四十三研究所
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M3/156;H02M1/088
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 金凱

本發明公開了升降壓變換器領域的一種四開關升降壓變換器的雙時間尺度優化控制方法，包括S1：獲得當前開關周期內四開關升降壓變換器運行時的輸入電壓采樣值、輸出電壓采樣值、電感電流值以及開關管Q₁和Q₄共同導通的持續時間T₁、開關管Q₁與Q₃共同導通的持續時間T₂；S2：電感電流優化器計算當前周期與上個周期的電感電流有效值差值，得到調節系數K_a、K_b并輸出到輸出電壓調節器；S3：輸出電壓調節器結合輸出電壓參考值、輸出電壓采樣值、輸入電壓采樣值，通過PI算法，計算T₁、T₂輸出到電感電流優化器，并輸出用于控制開關管Q₁～Q₄在下一開關周期的通斷狀態的控制信號；S4：重復S1～S3。本發明既可以保證變換器的性能，又可以降低算法對控制器的要求。

技術領域

本發明涉及升降壓變換器領域，具體是一種四開關升降壓變換器的雙時間尺度優化控制方法。

背景技術

近年來，我國航天事業加速發展，空間站、大衛星等空間裝備對電力供應的需求越來越高。空間能源的主要獲取途徑是光伏電池板，且空間能源的主要存儲介質是蓄電池。光伏電池板和蓄電池應用時最大的問題時運行時輸出電壓變化范圍較寬，不能滿足負載對供電電壓的穩定性要求。因此，適用于輸入電壓在寬范圍變化、可實現升降壓功能的高效率變換器受到了廣泛關注。其中，一種稱為四開關升降壓變換器拓撲具有開關器件電壓/電流應力低、無源元件少、效率高等優點，具有廣泛的應用前景。

如圖1所示，開關管升降壓變換器包括開關管Q1～Q2及電感L，其中開關管Q1、Q2構成前橋，開關管Q3、Q4構成后橋，在后橋的兩端并聯有電容Co以及負載RL。為了充分發揮四開關升降壓變換器的拓撲優勢，提高電源的功率密度和效率，近年來國內外的學者對該拓撲的控制策略做了深入的研究。大體可以分為硬開關多模式PWM調制策略和四邊形電感電流軟開關調制策略兩大類。硬開關控制時序相對簡單，但開關器件的損耗較高，不適合用于高頻高功率密度應用。四邊形軟開關調制將電感電流的調制時間分成了四段，產生反向電流，實現了四個開關管的零電壓開關。這類調制方式既可以實現了四個開關管的零電壓開關又可以通過優化電感電流有效值進一步提高變換器的效率。

根據計算獲得I_Lrms的表達式后，如圖4所示，對于不同的負載電流，總存在一個T₂值，使得電感電流有效值I_Lrms最小。而電感電流有效值I_Lrms越小，則電感的損耗越小，四開關升降壓變換器的轉換效率最高。

因此，為了提高變換器的效率，四開關升降壓變換器需要采用最小電感電流有效值控制方法。理論上，可以通過列式對T₂求微分，進而計算出T₂(T₂為開關管Q1、Q3共同導通的持續時間)和T₁(T₁為開關管Q1、Q4共同導通的持續時間)的具體值，而這個過程中需要大量的乘法、開方以及除法運算。但是在開關電源中開關頻率通常都幾十千赫茲到幾百千赫茲，每個開關周期只有幾十微秒甚至是幾微秒。在這極短的時間內完成大量的乘法、開方以及除法運算，需要控制器具有極高的數字信號處理能力。因此，現在市場上的低成本控制器難以滿足實時在線計算T₂和T₁的要求。

為了實現最小電感電流有效值控制，目前較為先進且實用的控制方法主要有查表法和臨界電流逼近變頻控制方法。

1.查表法

如圖5所示，查表法預先對不同的輸入電壓V_i、輸出電壓V_o、輸出電流Iout條件下根據I_Lrms的表達式關于T₂求微分，并計算出T₂和T₁的值，存入多維數據表中。