一种采用PI控制耦合电感的高阶升压变换器

Saurabh¹, Dr.P.K.Saha²和Dr.G.K.Panda^3.

印度西孟加拉邦杰尔拜古里，杰尔拜古里政府工程学院，电气工程系，研究生[电力电子与驱动]
印度西孟加拉邦杰尔拜古里，杰尔拜古里政府工程学院，电子工程系教授
印度西孟加拉邦杰尔拜古里，杰尔拜古里政府工程学院，电子工程系教授兼主任

摘要

本文提出了一种高阶升压变换器。该变换器采用了电感耦合开关电容。该结构使电容器并联充电，串联放电，以获得较高的升压增益。通过使用闭环控制，负载上的电压保持恒定。详细介绍了该结构的工作原理和稳态分析。最后，在MATLAB软件中实现了一个输入24v，输出400v，功率200W的电路，验证了所提配置的正常工作和性能。

关键字

高升压变换器，耦合电感器，开关电容，PI控制器。

介绍

升压变换器是现代电源应用中最重要、应用最广泛的器件之一。这些转换器是用来将直流电功率有效地从一个电压电平转换到另一个电压电平的电子设备。它们提供平稳的加速控制，高效率和快速的动态响应。转换器有四种主要类型，通常称为降压、升压、降压-升压和升压转换器。降压变换器用于电压降压/降低，而升压变换器用于电压升压。buck-boost和Cuk转换器可用于降压或升压。

基本上，DC-DC变换器由作为电子开关操作的功率半导体器件组成，并被归类为开关模式DC-DC变换器。开关器件的工作导致DC-DC变换器固有的非线性特性。由于这种不必要的非线性特性，变换器需要具有高度动态响应的控制器。在各种开关控制方法中，脉宽调制(PWM)是最常被考虑的方法。在DC-DC稳压器中，重要的是提供恒定的输出电压，而不考虑输入电压上的干扰。

目前，许多电力电子设备的控制系统得到了广泛的发展。对于这些要求至关重要，许多研究人员或设计人员一直在努力寻找最经济可靠的控制器来满足这些要求。在dc-dc变换器中使用控制系统的想法是确保与开环系统相比，可以有效地产生所需的电压输出。PWM开关控制采用比例积分(PI)控制器。

为了提高变换器的效率和获得高电压增益，人们提出了许多不同的方法，可以通过使用开关电容和通过调节其匝数比来使用耦合电感来获得高增益。由于电感耦合，电压可能出现尖峰。为此，我们使用了带有耦合电感的有源箝位电路，以避免电压尖峰。

图1显示了采用闭环控制的拟议转换器的框图，使电压漂移问题最小化，并保持所需的输出。然后将输出电压作为反馈并与输出电压的期望值进行比较，然后将差值馈送到PI控制，然后产生PWM信号到转换器的开关。

系统模型和假设

图2显示了所建议电路的配置。该电路具有带耦合电感、开关电容和箝位电路的升压变换器。耦合电感的等效电路由磁化电感Lm、漏电电感Lk和理想变压器组成。耦合电感的泄漏电感能量被回收到电容C₁，因此可以箝位开关S两端的电压。电容器上的电压C₂，和C_3.可通过耦合电感的匝数比调节。由于这些原因，开关的电压显著降低，并且可以使用低导通电阻Rds(on)。因此，可以实现高升压增益。

为了简化电路分析，我们假设了这些条件。

A.电容器₁C₂C_3.和C₀都很大，使得电压V_C₁, V_C₂, V_{C_3.}和V_O在一个开关周期内保持恒定。

B.采用的功率器件比较理想，但考虑了功率开关的寄生电容。

C.耦合电感器k的耦合系数等于L_米L / (_年代+ L_k)，耦合电感n的匝数比等于n_年代/ N_p。

操作和分析模式

在一个切换周期内有五种工作模式。

1)模式I (t₀t₁):开关S为ON时，模式启动。二极管D₁和D₀是off, and D₂和D_3.都在。通过Lk的电流开始线性增加。电感器Lm开始从源电压储存能量。电压VC₂和风险投资_3.串联起来给输出电容CO充电，然后向负载提供能量。当电流通过D₀变为零，操作模式结束。

2)模式II (t₁t₂在这里S将保持开着。二极管D₁D₂和D_3.选项D。₀正在进行。由于源电压，Lm开始充电。电容C₂和C_3.由于源通过耦合电感器也被充电。电容器C0向负载放电以维持所需的输出电压。开关S关闭以结束模式。

3)模式三(t₂t_3.):在此模式下关闭S。二极管D₁D₂和D_3.是off, and D₀正在进行。电感器Lk和Lm放电到开关Cds的寄生电容上。电容器CO继续放电并为负载提供能量。现在是C上的电压₁等于Vin+Vds，二极管D₁现在打开，模式结束。

4)模式四(t_3.t₄): S处于关闭状态。二极管D₁和D₀D₂和D_3.就消失不见了。电感器Lk和Lm放电给电容C充电₁。Lk很快出院了。二次侧无电流流过，L2对电容C0充电，维持负载上的电压，使得D₀关闭，模式结束。

5)模式V (t₄t₅): S处于关闭状态。二极管D₁D₂和D_3.D₀是关闭的。电感器Lk和Lm放电给电容C充电₁。麦_我开关两端的电压等于Vin+VC₁。L2给两个电容C充电₂和C_3.。当开关打开时，模式结束，进入下一个切换周期。

仿真结果及讨论

图3显示了采用PI控制的耦合电感的高升压变换器的MATLAB仿真图。通过PI控制器调节开关的占空比，以获得所需的输出。

图4显示了输出电压V₀=400.3V，最大峰值超调18.75%，输出电压由PI控制器反馈控制良好。

图5显示了0.5A的输出电流，这表明所提出的控制器能够很好地控制输出电流。

图6显示了为使开关正常工作而产生并给出的脉冲_我并维持所需的输出。

从图7中可以非常清楚地看出，输出电压VO随K的变化不太稳定_P=0.009, K_我=1.1, 1.2, 1.3, 1.5和最大峰值超调，上升时间也大于图4中的输出。输出电压波形如图4所示，稳定时间更短。因此，我们选择了K的值_P和K_我如表中的序号4，即K_P=0.009, K_我= 1.4。而转换器的规格则保持不变。