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.

印度西孟加拉邦贾尔拜古里政府工程学院电子工程系PG学生[电力电子与驱动]
印度西孟加拉邦杰尔拜古里市杰尔拜古里政府工程学院电子工程系教授
印度西孟加拉邦贾尔拜古里政府工程学院电子工程系教授和系主任

摘要

提出了一种高阶升升压变换器。所提出的转换器使用了一个耦合电感和开关电容器。电容器被制成并联充电和串联放电的配置，以实现高升压增益。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过程和稳态分析。最后，在MATLAB软件中实现了一个输入为24v，输出为400v，功率为200W的电路，验证了所提配置的正确性和性能。

关键字

高阶升压变换器，耦合电感，开关电容器，PI控制器。

介绍

升压变换器是现代电力应用中最重要、应用最广泛的器件之一。这些转换器是用于有效地将直流电力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，快速的动态响应。有四种主要类型的转换器通常称为降压，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，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变换器由功率半导体器件组成，这些器件作为电子开关工作，并被分类为开关型DC-DC变换器。开关器件的操作导致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，转换器需要具有高度动态响应的控制器。脉宽调制(PWM)是各种开关控制方法中最常用的一种。在DC-DC稳压器中，无论输入电压是否受到干扰，都必须提供恒定的输出电压。

目前，许多电力电子设备的控制系统得到了广泛的应用。这些需求至关重要，许多研究人员或设计师一直在努力寻找最经济和可靠的控制器来满足这些需求。在dc-dc变换器中有一个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。

人们提出了许多不同的方法来提高变换器的效率并实现高电压增益，这可以通过使用开关电容器来实现，而耦合电感则通过调节其匝数比来实现高增益。由于耦合电感可能会产生电压尖峰。为此，我们使用了带耦合电感的有源箝位电路，以避免电压尖峰。

图1显示了所提出的具有闭环控制的转换器的框图，以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，与输出电压的期望值进行比较，然后将差值反馈给PI控制，由PI控制产生PWM信号到变换器的开关。

系统模型和假设

图2显示了所提出的电路的配置。该电路由耦合电感的升压变换器、开关电容和钳位电路组成。耦合电感的等效电路由充磁电感Lm、漏磁Lk和理想变压器组成。耦合电感的漏电感能量被回收到电容器C₁，这样开关S上的电压就可以被夹住。电容之间的电压C₂，和C_3.可通过耦合电感的匝数比进行调节。由于这些原因，开关的电压显著降低，并且可以使用开关的低导电电阻Rds(on)。因此可以获得较高的升压增益。

为了简化电路分析，假设了这些条件。

A.电容器C₁C₂C_3.和C₀非常大，这使得电压V_C₁, V_C₂, V_{C_3.}和V_O在一个开关周期内保持不变。

B.所用的功率器件比较理想，但考虑了功率开关的寄生电容。

C.耦合电感器的耦合系数k等于L_米L / (_年代+ L_k)，耦合电感匝数比n = n_年代/ N_p．

操作模式和分析

一个切换周期有五种工作模式。

1)模式I (t₀t₁):当开关S打开时，模式将开始。二极管D₁和D₀D₂和D_3.都在。通过Lk的电流开始线性增加。电感Lm开始从源电压储存能量。电压VC₂和风险投资_3.串联，对输出电容CO充电，然后为负载提供能量。当电流通过D时₀变为零，操作模式结束。

2)模式二(t₁t₂此处S将保持ON。二极管D₁D₂和D_3.解析:选D。₀正在进行。Lm由于源电压开始被充电。电容C₂和C_3.也得到充电，由于源通过耦合电感。电容C0向负载放电以维持所需的输出电压。关闭开关S，结束模式。

3)模式III (t₂t_3.):该模式下关闭“S”。二极管D₁D₂和D_3.D₀正在进行。电感器Lk和Lm被放电到开关Cds的寄生电容器。电容器CO继续放电并为负载提供能量。现在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IV (t ._3.t₄): S保持OFF。二极管D₁和D₀D₂和D_3.就消失不见了。电感器Lk和Lm被放电给电容器C充电₁．Lk很快排出。没有电流通过二次侧，L2给电容C0充电并维持负载上的电压，这使得D₀关闭和模式结束。

5)模式V (t₄t₅): S保持OFF。二极管D₁D₂和D_3.D₀是关闭的。电感器Lk和Lm被放电给电容器C充电₁．麦_我ng开关上的电压等于Vin+VC₁．L2给两个电容器C充电₂和C_3.．当开关打开并进入下一个切换周期时，该模式结束。

仿真结果与讨论

图3给出了PI控制耦合电感的高阶跃升压变换器的MATLAB仿真图。通过PI控制器调节开关占空比，得到所需的输出。

图4为输出电压V₀=400.3V，最大峰值超调量为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，表明所提出的控制器能够很好地控制输出电流。

图6显示了产生的脉冲，并给予开关进行适当的工作_我Ng和维护所需的输出。

从图7中可以很清楚地看出，输出电压VO与K不太稳定_P=0.009和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。图4所示的输出电压波形具有较短的稳定时间。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和K_我= 1.4。同时转换器的规格保持不变。