一種用于兩級dc/dc變換器的滑模控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于DC/DC變換器及其控制方法領域，更具體地，涉及一種用于兩級DC/DC 變換器的定頻率滑模控制方法。
【背景技術】
[0002] 前級為BUCK變換器、后級為半橋的兩級DC/DC變換器在高電壓輸入，低電壓、大電 流輸出的DC/DC轉換領域，如通信電源、航天電源和車載電源中的應用越來越廣泛。
[0003] 現有的兩級DC/DC變換器，其關系動態特性的傳遞函數為四階函數，穩定性差；同 時，變換器本身在非線性情況下的特性和參數具有不確定性。目前常規的線性控制方法必 須是在對DC/DC變換器具有詳細的了解以及對系統進行精確調整的前提下，才能獲得良好 的動態性能。由于DC/DC變換器的常規控制方法是基于小信號的，所以被控系統只有在特 定的條件下才能運行在最佳的狀態，通常在大的參數或者負載變化時，并不能得到滿意的 控制效果。要獲得大信號范圍的穩定通常要犧牲系統的帶寬，從而影響了 DC/DC變換器的 動態性能，所以在常規的線性控制方法無法獲得理想的控制效果時，有必要采用非線性的 滑模控制方法來代替常規的線性控制方法，從而可以在更加寬的工作范圍得到更加好的調 節性能。
[0004] 滑模控制是通過對狀態的實時檢測，判斷系統所處的不同結構，進而控制開關的 切換以達到既定的控制，無需近似線性化處理，適應了系統的非線性特性，能夠取得更好的 動態性能。滑模控制系統的主要優勢是它能在系統參數不確定的前提下保持穩定性和魯棒 性。此外，作為一種控制方法，滑模控制在設計上具有高度的靈活性和相對于其他非線性控 制方法更易于在應用中實現，這些優點使得滑模控制在兩級DC/DC變換器這種非線性高 階系統方面具有潛在的應用前景，能夠較線性控制方式取得更好的控制效果，使系統具有 快速良好的瞬態響應、對參數攝動及外界干擾具有較強的魯棒性。
[0005] 盡管滑模控制具有上述優點，但現有的滑模控制方法主要應用于單級DC/DC變換 器，以及少量特定的兩級DC/DC變換器中。針對前級為BUCK、后級為半橋的兩級DC/DC變換 器，由于這兩級變換器間是通過變壓器耦合連接，現有的滑模控制方法往往對后一級半橋 DC/DC變換器的控制效果不甚理想，進而影響了對器件整體的控制效果，無法滿足實際應用 時的需求，滑模控制的優勢（如穩定性、非線性特性、魯棒性等）也不能完全體現。此外，對 于定頻率的兩級DC/DC變換器，現有的滑模控制方法也無法使頻率保持恒定，限制了器件 的使用范圍。

【發明內容】

[0006] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種兩級DC/DC變 換器的滑模控制方法，其中通過對其關鍵物理量的相互關系、控制參數等進行改進，與現有 技術相比能夠有效解決現有兩級DC/DC變換器（前一級為BUCK電路，后一級為半橋電路） 控制方法穩定性不高、魯棒性差的問題，并且該滑模控制方法適用于恒定頻率的兩級DC/DC 變換器，進一步擴展了兩級DC/DC變換器的使用范圍。
[0007] 為實現上述目的，按照本發明，提供了一種兩級DC/DC變換器的滑模控制方法，所 述兩級DC/DC變換器的前一級為BUCK電路，后一級為半橋電路，所述BUCK電路和所述半橋 電路通過變壓器耦合，其特征在于，該滑模控制方法包括以下步驟：
[0008] (1)建立兩級DC/DC變換器的狀態模型：
[0009] 所述BUCK電路包括電感L1、電容C2和用于輸入電壓V i的輸入端；
[0010] 所述半橋電路包括電感L2、電容C。和用于輸出電壓V。的輸出端，負載R。連接在該 輸出端上；
[0011] 該兩級DC/DC變換器的狀態模型滿足：
【主權項】
1. 一種兩級DC/DC變換器的滑模控制方法，所述兩級DC/DC變換器的前一級為BUCK電 路，后一級為半橋電路，所述BUCK電路和所述半橋電路通過變壓器禪合，其特征在于，該滑 模控制方法包括W下步驟： (1) 建立兩級DC/DC變換器的狀態模型： 所述BUCK電路包括電感Li、電容C2和用于輸入電壓Vi的輸入端； 所述半橋電路包括電感L2、電容C。和用于輸出電壓V。的輸出端，負載R。連接在該輸出 端上； 該兩級DC/DC變換器的狀態模型滿足：
其中，所述為流經所述電感Li的瞬時電流值，所述^為所述對時間t的導數值； 所述Vi為瞬時輸入電壓值；所述為所述電容C2兩端的瞬時電壓值；所述%為所述輸出 ^2at 電壓V。對時間t的導數值；所述為流經所述電感L2的瞬間電流值；所述V。為瞬時輸出電 壓值；所述U為所述BUCK電路的狀態函數，當所述輸入電壓Vi輸入所述BUCK電路時，U= 1 ;當所述輸入電壓Vi不輸入所述腳CK電路時，U= 0 ; (2) 根據所述狀態模型中的<'1^和v。構建滑模面函數5，使S滿足：
其中，所述a和所述b均為正控制系數；所述Vuf為參考輸出電壓；所述0為輸出電壓 采樣電路的比例系數，并滿足Vuf= 0 ?Iv。!，所述k|為理想輸出電壓值； (3) 求解等效控制輸入Ue。； 使dSMt= 0,此時對應的U的解即為等效控制輸入U。。； (4) 構建定頻率PWM控制器進行滑模控制，該定頻率PWM控制器包括一個控制信號V。 和一個固定頻率的銀齒波信號Vtamp，并通過所述V。和V構建固定頻率的PWM波，該PWM波 用于決定所述輸入電壓Vi是否輸入所述BUCK電路，從而起到滑模控制的效果； 所述V。和V滿足；
其中，Ki=-5XbXLi，K2= 5XaXLi/C。，所述5為標準電壓的比例系數；所化為 所述電容C。的瞬時電流值。
2. 如權利要求1所述兩級DC/DC變換器的滑模控制方法，其特征在于，所述步驟（1)中 建立兩級DC/DC變換器的狀態模型還滿足：
所述^為所述對時間t的導數值；所述^為所述Vc;對時間t的導數值；所述 泌成 - N為所述禪合變壓器的原副邊變比。
3. 如權利要求1或2所述兩級DC/DC變換器的滑模控制方法，其特征在于，所述步驟 似中的a、b、0和Vref滿足：
其中，Vi 為所述輸入電壓Vi的最小值；Vc;恤")為所述電容C2兩端的電壓V。的最小 值；為所述電容C。的電流的最小值；V 為輸出電壓V。的最小值；VC2(max)為所述電 容C,兩端的電壓Vc:的最大值；胃，為所述電容C。的電流的最大值；V為負載輸出電 壓V。的最大值。
4. 如權利要求1 - 3任意一項所述兩級DC/DC變換器的滑模控制方法，其特征在于，所 述步驟（1)中建立兩級DC/DC變換器的狀態空間模型滿足：
其中，;為所述Z'Zi的交流部分，―心為所化Vc:的交流部分，(為所述是，的交流部 分，l^"。為所述v。的交流部分； 系數 -K2/(SXL)i，ai4=化2/R〇-KiXP)/(SXLi) ,321= 1/C2，a23= -1/(NXC2)， 332= 1/(NXL2)，334= -1/L2;a43= 1/C。巧 44=l/(；R〇XC。），其余系數等于 0 ; 并且，令 Pi二-a44 P2 _ _過 34X過43_過32X過23， p3 過32X過23X過44過21X過32X過13 口4 =a21X332Xa口Xa的-321X332X343Xai4 則 口1、口2、口3、口4滿足： Pl>〇P2>Ps/Pl Ps>P1XP4/ (P2~P3/Pl) P4> 0。
【專利摘要】本發明公開了一種兩級DC/DC變換器的滑模控制方法，所述兩級DC/DC變換器的前一級為BUCK電路、后一級為半橋電路，該滑模控制方法包括以下步驟：建立兩級DC/DC變換器的狀態模型；根據狀態模型構建滑模面函數S；根據S得到等效控制輸入ueq；根據ueq得出定頻率PWM控制器的控制信號vc和固定頻率的鋸齒波信號Vramp，從而實現滑模控制。本發明的滑模控制方法針對前一級為BUCK電路、后一級為半橋電路的兩級DC/DC變換器，控制的穩定性好、DC/DC變換器具有良好的非線性特性，在有外界干擾的條件下，能提高參數的魯棒性；尤其該滑模控制方法可適用于恒定頻率的兩級DC/DC變換器，非線性控制效果好。
【IPC分類】H02M3-28
【公開號】CN104795996
【申請號】CN201510195603
【發明人】喬洪濤, 馬高育, 程友信, 常超, 陳圣榮, 王莉, 汪慶
【申請人】湖北三江航天萬峰科技發展有限公司
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月22日