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1、第25卷第5期荆楚理工学院学报2010年5月Vo.l25No.5JournalofJingchuUniversityofTechnologyMay2010一种Boost变换器的闭环控制策略及其仿真张圣杰(上海海事大学物流工程学院,上海200135)[摘要]文章首先分析了Boost变换器的电压型、峰值电感电流型控制方法的原理,并在此基础上引入负载电流负反馈控制,构建Boost变换器的一种多环控制方法,分析了该方法的原理,并基于PSIM建立了仿真模型。仿真结果表明,多环控制的Boost变换器具有较好的动态特性。[关键词]Boos
2、t变换器;闭环控制;PSIM;仿真+[中图分类号]TM401.2[文献标识码]A[文章编号]1008-4657(2010)05-0012-040引言DC/DC变换器是现代高频开关电源最基本的构建,它把已知的直流输入电压Vin变换成所需要的或易于使用的直流输出电压Uo。Boost变换器作为基本的DC/DC变换器之一,能够实现从低压电源变换到高压电源,该变换器具有体积小、结构简单、变换效率高等优点,因而得到广泛地应用。Boost变换器由开关器件构成的功率级和控制电路两部分组成,控制电路一般需在Boost变换器上加负反馈构成闭环系
3、统以提高输出精度和动态性能。所以控制方法的选择和设计对开关电源的性能十分重要。开关电源的主要控制方法有电压型控制和电流型控制方法,本文在综合考虑两者优缺点的基础上,引入电感电流作为反馈量,构建一种多环控制方法,并在PSIM上建立仿真模型予以验证。1Boost变换器的模型Boost电路的基本拓扑结构如图1a所示,它是一种输出直流电压平均值Uo高于输入电压Vin的单管不隔离直流变换器,其主要特点是储能电感L在输入侧,又称升压电感,当电感电流连续时,Boost变化器存在两种工作状态如图2b、c,图2b为开关管S导通时的等效电路,图
4、2c为开关管S截止时的等效[1]电路。图1Boost变换器电流拓扑当开关管S导通时,如图1b所示,电源电压Vin全部加到电感上,电感电流iL线性增长,为电感储存磁场能量阶段。当S截止时如图1c所示,电感电流经二极管流向输出侧,电感中的磁场将改变L两端Uo的电压极性,以保持电感电流不变,这样电压源与电感电压串联给C和R供电。电压增益为:=Vin1(D为占空比)。1-D[收稿日期]2010-01-25[作者简介]张圣杰(1984-),男,安徽阜阳人,上海海事大学硕士研究生。研究方向:电力电子器件与装置。12PSIM是一种功能强大
5、的电力电子和自动控制建模仿真软件,该软件能够提供友好的用户界面,并包含有丰富的控制元件库和强大的数学运算模型,还可将其他仿真软件中的元器件容易地转化为通用的数学模型。目前利用PSIM进行电力电子控制系统建模、分析与开发的研究已受到广泛关注。下面用PSIM对Boost变换器及各种控制方法进行仿真,仿真参数为:D=0.5;L=400LH;C=200LF;R=108;f=40kHz,Vin=10V。仿真电路如图2所示,图3为仿真结果输出电压和电感电流波形图。图2Boost电路图3输出电压和电感电流2Boost变换器的闭环控制方法B
6、oost变换器的电压型负反馈控制如图4所示,它是将输出电压的检测值与参考电压值进行比较得到偏差量,以此来进行反馈控制。由于电路结构阻抗元件的作用,电路参数的变化不能立即引起输出电压的变化,而且系统的控制电路存在积分环节,因此对输入电压和负载变化的响应较慢。图5所示的电流型控制模型,它是在上述电压型控制方法的基础上,通过检测电感的峰值电流引入电流内环控制,从而实现双环控制。由于峰值电感电流容易检测,控制环易于设计,且对输入电压的变化的动态响应很[2]快,但是对负载的突变响应速度没有显著提高,如图6、图7所示。图4电压控制型图5
7、电流控制型图6电压型控制输出电压波形图7电流型控制输出电压波形132文献[3]提出了针对Buck变换器电压双环反馈控制方法,即V控制方法。该方法的控制内环采用电感电流纹波在输出滤波电容的等效串联电阻ESR上的压降代替电流型控制的电感电流检测信号,2大大提高了变换器的负载动态响应速度,但是由于V控制方法中ESR的值比较小,内环检测信号的谐[4-6]22波信号小,因而抗干扰能力差。受此方法的启示,将V控制方法应用到Boost变换器,可得V控制2的Boost变换器原理图如图8所示。综合Boost变换器电压控制型、电流控制型和V控制
8、型的优缺点,本文针对Boost变换器采用一种多环控制方法,该方法的的电路原理图如图9所示。2图8Boost变换器V控制图9Boost变换器多环控制3多环控制的仿真与分析如图9所示,Boost多环控制方法是在上述电压电流双环负反馈控制的基础上,又引入了负载电流2作为反馈量,与V控制方式相类似
