基于滑模變結構的交錯并聯Boost 電路均流控制研究?

吳社民，李素敏

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

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

現今對多路交錯并聯型Boost 電路的研究主要包括電路結構分析、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Buck-Boost 電路結構。文獻[6]在傳統交錯并聯Boost 電路的基礎上添加了輔助電路，實現開關管的零電流開通，降低了電路的開關損耗。文獻[7]提出一種適用于三相交錯并聯Boost 電路的雙閉環控制策略，降低了相電流紋波。文獻[8]通過小信號模型建模的方式，設計了電流環和電壓環內模控制器。文獻[9]在傳統交錯并聯Boost 電路中加入開關電容，從而提高能量利用率，同時采用混合閉環控制方法降低了輸出電壓的超調量。

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

1 三路交錯并聯Boost 電路結構

圖1 為三路交錯并聯Boost 電路結構圖，圖中，直流側穩壓源為Udc，直流側穩壓電容為C1，三路交錯并聯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Boost 電路結構圖

三路交錯并聯Boost 電路相對于單路Boost 電路，所選的二極管和開關器件無需分開選取，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，可以總結三路交錯并聯Boost 電路的八種工作模式為:

圖2 八種工作模式

工作狀態1:電路中三個IGBT S1、S2、S3均導通，直流輸入電壓信號Udc流經三個電感L1、L2、L3后流經三個IGBT 構成回路，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斷狀態，三路電感電流都上升。

工作狀態2:S1、S2導通，S3關斷，直流輸入電壓信號Udc流經兩個電感L1、L2后流經兩個IGBT 構成兩個回路，兩個電感L1、L2電流都是上升。直流輸入電壓信號Udc流經電感L3、二極管D3、濾波電容C1構成回路，電感L3電流下降。

工作狀態3:S1、S3導通，S2關斷，直流輸入電壓信號Udc流經兩個電感L1、L3后流經兩個IGBT 構成兩個回路，兩個電感L1、L3電流都是上升。直流輸入電壓信號Udc流經電感L2、二極管D2、濾波電容C1構成回路，電感L2電流下降。

工作狀態4:S1導通，S2、S3關斷，直流輸入電壓信號Udc流經電感L1后流經S1構成回路，電感L1電流上升。直流輸入電壓信號Udc流經電感L2、二極管D2、濾波電容C1構成回路，電感L2電流下降。直流輸入電壓信號Udc流經電感L3、二極管D3、濾波電容C1構成回路，電感L3電流下降。

工作狀態5:S1關斷，S2、S3導通，直流輸入電壓信號Udc流經兩個電感L2、L3后流經兩個IGBT 構成兩個回路，兩個電感L2、L3電流都是上升。直流輸入電壓信號Udc流經電感L1、二極管D1、濾波電容C1構成回路，電感L1電流下降。

工作狀態6:S1、S3關斷，S2導通，直流輸入電壓信號Udc流經電感L2后流經S2構成回路，電感L2電流上升。直流輸入電壓信號Udc流經電感L1、二極管D1、濾波電容C1構成回路，電感L1電流下降。直流輸入電壓信號Udc流經電感L3、二極管D3、濾波電容C1構成回路，電感L3電流下降。

工作狀態7:S1、S2關斷，S3導通，直流輸入電壓信號Udc流經電感L3后流經S3構成回路，電感L3電流上升。直流輸入電壓信號Udc流經電感L1、二極管D1、濾波電容C1構成回路，電感L1電流下降。直流輸入電壓信號Udc流經電感L2、二極管D2、濾波電容C1構成回路，電感L2電流下降。

工作狀態8:S1、S2、S3關斷，直流輸入電壓信號Udc流經電感L1、二極管D1、濾波電容C1構成回路，電感L1電流下降。直流輸入電壓信號Udc流經電感L2、二極管D2、濾波電容C1構成回路，電感L2電流下降。直流輸入電壓信號Udc流經電感L3、二極管D3、濾波電容C1構成回路，電感L3電流下降。

3 控制策略

三路交錯并聯Boost 電路能夠均分電壓電流，降低電壓電流應力。其采用的調制方法是在一個導通周期內三路開關器件的觸發脈沖相差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Boost 電路的工作原理波形。

圖3 調制方法

本文提出的控制方案為電壓外環電流內環的控制模式，電壓外環采用PI 控制，電流內環采用滑模變結構，控制結構如圖4 所示。由相同調制波和載波生成第1 路PWM 波，另兩路PWM 波通過相移獲得。

圖4 控制框圖

滑模變結構的設計包含滑模面選取和趨近率的設計。選取滑模面函數為:

式中:k為滑模系數且有x2＝。

滑模變結構的動態性能較好，原因就是采用趨近率去改善動態性能，本文采用一種趨近率為:

式中:k2和ε為趨近系數。

三路Boost 電路的輸出電容電壓和輸入電壓之間的關系為:

單相Boost 變換器從占空比到電感電流的傳遞函數為:

單相Boost 變換器從占空比到輸出電壓的傳遞函數為:

單相Boost 變換器從電感電流到輸出電壓的傳遞函數為:

三路交錯Boost 變換器從占空比到電感電流的傳遞函數為:

三路交錯Boost 變換器從占空比到輸出電壓的傳遞函數為:

三路交錯Boost 變換器從電感電流到輸出電壓的傳遞函數為:

電壓環的控制結構如圖5 所示。

圖5 電壓環控制框圖

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

4 實驗驗證

為了驗證本文所提出內容的有效性，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，實現升壓效果，輸出電壓穩定。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 結論

三路交錯并聯Boost 電路相對于單路Boost 電路，具有電流應力較小、體積小，輸出穩定等優勢。本文提出一種基于電壓電流雙環控制方式，電壓環采用PI 控制，電流環采用滑模變結構，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Boost 電路輸出電壓穩定，電感電流均流。