三电平Buck

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三电平Buck

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前言

三电平Buck-boost电路一般用在大功率场合,本文建立在三电平Buck-boost电路的电流环、电压环控制已实现的基础之上(控制方法和控制参数设计和普通Buck-boost电路一致),只讨论母线电容电压均分的实现方法。

工作原理分析

分析和了解控制对象是自动控制的必要步骤,首先来看本次研究对象的电路结构。 电路图 这是一个工作在boost模式下的电路,开关S1和S11是一对,开关状态互补,开关S2和S22也是一对,开关状态互补。S1开电感电流增加,S1关断电感电流减小,电感电流呈现出三角波形状,同样S2开电感电流增加,S2关断电感电流减小,也产生三角波形状的电感电流,如果一个是正三角,一个是倒三角,那么它们叠加在一起的电流纹波就会大大减小,为了让S1和S2的开通时间错位,1组开关和2组开关的载波相位相差180°。 在电流环的控制基础上,我们可以认为一个开关周期内电感电流不变始终为IL。然后在开关互补的条件下,我们可以排列组合得到4种开关状态。 a:S11开S22关,电容C1进行充电 b:S11开S22开,C1、C2均充电 c:S11关S22开,电容C2进行充电 d:S11关S22关,C1,C2无变化 各开关状态的电流流向如图所示: 在这里插入图片描述

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 从上述4种开关状态我们可以发现S11开时给电容C1充电,S22开始给电容C2充电,充电电流均为IL,假设一个周期内S11开通的时间占比为D11,S22开通的时间占比为D22,那么可以得到C1、C2的充电电压的关系式: 在这里插入图片描述 如果C1=C2=C,R1=R2=R,则可进一步将表达式化简为: 在这里插入图片描述 若将IL当成一个常数,那么电压差值的表达式就是一个一阶惯性环节,我们可以在此基础上设计控制器吗,很遗憾我们无法知道负载的大小,即R不确定,因此我们只能用空载情况下的表达式: 在这里插入图片描述 为了实现均压,我们希望detaU为0,在上述表达式的基础上我们可以画出其控制框图 在这里插入图片描述 到此我们就可以设计控制器器进行均压控制了,为了执行detaD还需要一个方程组 在这里插入图片描述 Uout是电流环输出指令,可通过这个方程组进行指令分配和限幅

仿真结果

搭建仿真观察在负载不匹配情况下的均压效果 在这里插入图片描述 两电容电压如图 在这里插入图片描述 总电压 在这里插入图片描述 从图中可以看出,该控制方法均的压效果良好。

均压限制条件

如果但从均压的角度看,几乎在任何条件下都能实现均压,但是只有在满足电流环控制的前提下,均压才是有意义的。此时均压会受输入电压,母线电压,负载的共同限制。 均压条件为: 在这里插入图片描述 detaP为上下负载功率之差,P为负载总功率,被控的母线电压应大于最小要求电压 。 在这里插入图片描述



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