一种改进脉冲序列控制Boost变换器研究*

秦 明, 李静超

(郑州大学 电气工程学院，河南 郑州 450001)

一种改进脉冲序列控制Boost变换器研究*

秦 明, 李静超

(郑州大学 电气工程学院，河南 郑州 450001)

针对脉冲序列(PT)控制Boost变换器适用输入电压范围窄的问题，研究了一种改进PT控制Boost变换器。介绍了改进PT控制Boost变换器的基本原理和工作过程，搭建仿真电路模型并设计硬件试验电路，得出仿真及试验波形，验证了改进PT控制Boost变换器的可行性和先进性。研究表明，改进PT控制Boost变换器不仅适用输入电压范围宽，且稳态、瞬态特性良好。

输入电压范围； 脉冲序列控制； Boost变换器

0 引 言

石油等一次能源供应紧张，世界能源面临前所未有的危机，且环境污染等问题日益突出，引起了世界各国的关注。新能源是解决能源危机和环境污染等问题的关键，综合和高效利用各类新能源备受关注。太阳能、风能等清洁能源可再生，对于环境无污染，受到了专家学者的青睐，研究清洁能源发电技术具有重大意义，因此新能源发电技术发展迅速、前途明朗。但是，受自然环境的影响，新能源发电技术的输出特性较复杂，电能质量难以保证，无法直接提供给用电设备，通常采用直流变换器进行特定的功率变换。如光伏发电技术，光伏阵列输出具有非线性特征，其输出电压会受光照强度、环境温度和负载情况的变化而在较宽范围内变化[1-10]。因此，研究一种适应输入源电压宽范围变化的直流变换器必不可少。

开关变换器脉冲序列(Pulse Train,PT)控制技术是近年来出现的一种新型控制技术，不同于PWM控制技术，PT控制具有更优异的瞬态性能和稳定性[11-17]。但是PT控制采用一组预定的高低能量脉冲，其受控变换器输入电压适用范围窄，不适合在光伏发电等场合应用。此后出现的改进型PT控制技术主要在于优化受控变换器的输出特性，但也不适合用于宽输入电压场合[18-20]。针对此类问题，本文研究了一种改进PT控制的Boost变换器。

1 基本原理和工作过程

1.1 基本原理

改进PT控制Boost变换器结构如图1所示。在每个开关周期起始时，控制器检测输入电压Uin和输出电压Uo，输入电压分为N个区间，即Uin<σ1、σn-1≤Uin<σn(1Uref，控制器发出脉冲PLn驱动开关管。按照以上控制规律，当变换器工作在稳态时，控制器发出由PHn和PLn组成的PT，PT所经历的时间被称为循环周期。

图1 改进PT控制Boost变换器结构图

综上所述，此改进PT控制Boost变换器引入输入电压前馈环节，并采用多个组别控制脉冲，因此能够适应宽范围输入电压的变化。

1.2 工作过程

假设控制器采用3个组别的控制脉冲，即第一组控制脉冲PH1和PL1、第二组控制脉冲PH2和PL2、第三组控制脉冲PH3和PL3,其占空比分别为DH1和DL1、DH2和DL2、DH3和DL3。设变换器输入基准电压为σ1和σ2，输入电压据此被划分为3个幅值区间，即Uin<σ1、σ1≤Uin<σ2、Uin≥σ2。改进PT控制Boost变换器工作过程如图2所示。

图2 改进PT控制Boost变换器工作过程

在每个开关周期起始时，控制器自动检测输入电压和输出电压大小。当输入电压处于第一幅值区间时，即Uin<σ1，控制器选择占空比级别最大的一组控制脉冲PH1和PL1，开关管导通时间较长，此时变换器工作在第一区间。如果Uo

2 仿真验证

图3 改进PT控制Boost变换器稳态工作波(Uin=6 V)

为了验证改进PT控制Boost变换器的可行性，运用MATLAB/Simulink软件搭建仿真试验平台，仿真参数如下：额定输入电压Uin=6 V，L=33 μH，C=2 000 μF，Uo=12 V，P=4.5 W，T=50 μs，DH1=0.7，DL1=0.25，DH2=0.5，DL2=0.16，DH3=0.3，DL3=0.1，σ1=5 V，σ2=7 V。改进PT控制Boost变换器在额定输入电压6 V稳定工作时,其稳态工作波形如图3所示。由图3(b)可知控制器发出的脉冲序列组合为PH2-2PL2-PH2-PL2，脉冲数量比例k2=2/3；由图3(c)可以看出输出电压为12 V，电压纹波约为70 mV。

图4为改进PT控制Boost变换器瞬态工作波形。由图4(a)、图4(c)可知在9.2 ms时输入电压由3.5 V跃变至5 V，控制器发出的PT组合由3PH1-PL1-4PH1-PL1变为3PH2-PL2，输入电压为3.5 V时的脉冲数量比k1=3.5，输入电压为5 V时脉冲数量比k2=3；在9.4 ms时输入电压由5 V跃变至7 V，控制器发出的PT组合由3PH2-PL2变为3PH3-PL3，输入电压为7 V时的脉冲数量比k3=3；9.6 ms时输入电压由7 V跃变至9 V，控制器发出的PT组合由3PH3-PL3变为PH3-3PL3，输入电压为9 V时的脉冲数量比k3=1/3。由图4(b)可以看出改进PT控制Boost变换器在输入电压发生变化时其输出电压及电压纹波均无明显变化，输出电压为12 V，电压纹波约为80 mV，瞬态性能良好。

图4 输入电压变化时改进PT控制Boost变换器工作波形

图5为PT控制Boost变换器瞬态工作波形。由图5(a)、图5(c)可知在9.2 ms时输入电压由5.2 V跃变至7.2 V，控制器发出的PT组合由3PH-PL-4PH-PL变为PH-3PL，脉冲数量比k由3.5变化为1/3，输出电压纹波由70 mV抬升为100 mV。输出电压有一点升高。

图5 输入电压变化时PT控制Boost变换器工作波形

综上可知，改进PT控制Boost变换器不仅保留了PT控制的优点，瞬态响应速度快，稳定性强，设计简单，而且适应输入电压范围宽，输出特性良好。

3 试验验证

为了验证理论分析和仿真结果的正确性，对改进PT控制Boost变换器进行试验研究。试验参数和仿真参数一致，试验结果如图6～图9所示。

图6 改进PT控制Boost变换器试验波形(Uin=4 V)

从图6(a)波形可知改进PT控制Boost变换器在4 V输入工作时控制器脉冲组合为PH1-PL1，由图6(b)可知输出电压为12 V，电压纹波约为70 mV。

图7 改进PT控制Boost变换器试验波形(Uin=6 V)

由图7(a)可知此改进PT控制Boost变换器在6 V输入电压工作时控制器脉冲组合为PH2-2PL2-PH2-PL2，由图7(b)可知变换器输出电压幅值为12 V，电压纹波约为75 mV。

图8 改进PT控制Boost变换器试验波形(Uin=8 V)

由图8(a)波形可以看出改进PT控制Boost变换器在8 V输入电压工作时控制器脉冲组合为PH3-2PL3，图8(b)显示了变换器输出电压幅值为12 V，电压纹波约为75 mV。

图9 PT控制Boost变换器试验波形(Uin=4 V)

图9显示了PT控制Boost变换器在4 V输入工作时的稳态波形。由图9(a)电感电流和控制脉冲波形可知控制器发出的脉冲均为高能量控制脉冲。由图9(b)输出电压和电压纹波波形可以看出PT控制Boost变换器输出电压幅值为11 V，电压纹波约为60 mV。说明PT控制Boost变换器在4 V输入工作时失去稳态，输出电压幅值严重跌落，低于基准电压12 V。

试验结果表明改进PT控制Boost变换器工作范围宽，同时具有较好的输出特性。试验结果和仿真结果基本一致。

4 结 语

本文以PT控制为基础，研究了改进PT控制Boost变换器的工作原理及工作过程，仿真和试验分析了该变换器的输入及输出特性。变换器增加输入电压前馈环节，且控制器采用多个组别脉冲调节，解决了传统PT控制Boost变换器适用输入电压范围窄的缺点。仿真及试验结果表明改进PT控制Boost变换器适用输入电压范围宽，且瞬态特性和稳定性良好。

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Research on Improved Pulse Train Controlled Boost Converter*

QINMing,LIJingchao

(School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

In order to increase the applicable input voltage scope of pulse train (PT) controlled Boost converter, an improved pulse train controlled Boost converter was studied.The principle and operational process of the improved PT controlled Boost converter were introduced.Simulation and experimental results were presented to verify the feasibility and advantage of the improved PT controlled Boost converter.Research results showed that the improved PT controlled Boost converter enjoys excellent steady and transient state performance as well as the wider input voltage scope.

input voltage scope; pulse train control; Boost converter

国家自然科学基金资助项目(51207142)

秦 明(1982—)，男，博士研究生，研究方向为电力电子系统的控制策略及电路拓扑、新能源发电技术等。 李静超(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为开关变换器的控制方法和电路拓扑。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0017- 05

2016 -09 -20