一种三电平Buck变换器及其控制方法专利检索-LC滤波器信号处理专利检索查询-专利查询网

一种三电平Buck变换器及其控制方法

阅读：1020发布：2020-10-28

专利汇可以提供一种三电平Buck变换器及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种三电平Buck变换器及其控制方法，主要由四个MOSFET管、三个二极管、一个飞跨电容及 LC 滤波器组成。该变换器由D2的负极接在C2的左端，D2的正极接在输入电源的负端作为放电回路，D3和Q4 串联后与输入电源相连替代原先的导通回路。优点：大大提高了DC/DC变换器的动态响应，缩短了一个周期内迅速达到稳态的时间；所涉及的三电平Buck变换器及控制方法适用于车载电源、通信电源等应用场合。，下面是一种三电平Buck变换器及其控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种三电平Buck变换器，其特征是，包括电源，第一MOSFET管Q1、第二MOSFET管Q2、第三MOSFET管Q3、第四MOSFET管Q4，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3，一个飞跨电容C2及LC 滤波器；
所述电源、Q1、Q2、Q4及LC滤波器串联；D3的负极直接接电源的正端，D3的正极接Q4的漏极，Q4的源极接电源的负端；D2的正极直接接电源的负端D2的负极接Q1的源极，Q1的漏极接电源的正端；C2的一端接D2的负极，C2的另一端接Q3的漏极，Q3的源极接D3的正极；D1的负极接在Q2和LC滤波器之间，D1的正极接在C2和Q3之间。
2.根据权利要求1所述的一种三电平Buck变换器，其特征是，所述LC滤波器包括电容C1、负载R1、滤波电感L1，其中C1与R1并联后与滤波电感L1串联。
3.一种基于权利要求1-2任意一项三电平Buck变换器的控制方法，其特征在于：
设开关变换器的状态空间方程为：

式中，为系统变量偏差及其各阶导数或积分构成的n维向量的偏导，f(x)和g(x)为定义在整个矢量场上的两个平滑矢量场，选取切换函数s(x)＝kx，k为状态变量的假定系数，以闭环的输出电压的偏差x1及其微分x2和积分x3为状态变量，则有：

式中，Vref为输出参考电压，Vo为输出电压，
设滑模控制切换函数为
s(x)＝k1x1+k2x2+k3x3
式中，k1、k2、k3分别为3个状态变量的假定系数且均大于0；
确定完切换函数之后，就应该选择控制开关信号u，以便使系统快速进入滑动模态，开关变换器的自身特点使得控制函数只存在1或0两种情况，本次设计选用的开关变换器的控制函数为

式中，s为上述确定完的切换函数，当s>0时，sgn(x)＝1，反之sgn(x)＝0，滑模控制其等效控制为

式中，Lfs为函数s(x)对矢量场f(x)的导数，Lgs函数s(x)对矢量场g(x)的导数，首先判断滑模存在的必要条件：LgS>0，然后把滑模变结构的等效控制等价为脉宽占空比d，从而实现对三电平Buck变换器的定频控制，即d＝ueq。

说明书全文

一种三电平Buck变换器及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种三电平Buck变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

[0002] 随着工业设备及微处理器的迅速发展，越来越多的装置存在负载突变的特性，这对开关电源的性能提出了更高的要求。在传统的Buck电路中，负载发生突变，但系统不能及时响应输出的变化，会造成输出电压波动，进而影响负载的正常工作和安全。因此，如何改善电路的动态响应成为研究热点。

[0003] 目前，针对改善电路的动态响应的解决方法如下所示：

[0004] (1)LC 滤波器的方案。并联大量滤波电容或采用低ESR电容可降低负载突变引起的电压波动，但增加了系统的体积和成本；采用较小的滤波电感能够提高动态响应能力，需考虑增加的磁芯损耗及开关损耗。

[0005] (2)三电平Buck电路方案。相较于传统的Buck电路，三电平Buck电路的等效开关频率加倍，而且开关器件的电压应力减半。在相同的开关频率条件下，三电平Buck电路可以采用更小的电感，动态响应更高。此外，还可以采用变换器的多相组合、多级电路来提高动态响应。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种三电平Buck变换器及其控制方法，在输出电压足够稳定的基础上，有效地提高了该变换器的动态响应，实现了输出功率的改变。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供一种三电平Buck变换器，其特征是，包括电源，第一MOSFET管Q1、第二MOSFET管Q2、第三MOSFET管Q3、第四MOSFET管Q4，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3，一个飞跨电容C2及LC滤波器；

[0008] 所述电源、Q1、Q2、Q4及LC滤波器串联；D3的负极直接接电源的正端，D3的正极接Q4的漏极，Q4的源极接电源的负端；D2的正极直接接电源的负端D2的负极接Q1的源极，Q1的漏极接电源的正端；C2的一端接D2的负极，C2的另一端接Q3的漏极，Q3的源极接D3的正极；D1的负极接在Q2和LC滤波器之间，D1的正极接在C2和Q3之间。

[0009] 进一步的，所述LC滤波器包括电容C1、负载R1、滤波电感L1，其中C1与R1并联后与滤波电感L1串联。

[0010] 一种三电平Buck变换器的控制方法，其特征在于：

[0011] 设开关变换器的状态空间方程为：

[0012]

[0013] 式中，为系统变量偏差及其各阶导数或积分构成的n维向量的偏导，f(x)和g(x)为定义在整个矢量场上的两个平滑矢量场，选取切换函数s(x)＝kx，k为状态变量的假定系数，以闭环的输出电压的偏差x1及其微分x2和积分x3为状态变量，则有：

[0014] x1＝Vref-Vo, x3＝∫(Vref-Vo)dt

[0015] 式中，Vref为输出参考电压，Vo为输出电压，

[0016] 设滑模控制切换函数为

[0017] s(x)＝k1x1+k2x2+k3x3

[0018] 式中，k1、k2、k3分别为3个状态变量的假定系数且均大于0，

[0019] 确定完切换函数之后，就应该选择控制开关信号u，以便使系统快速进入滑动模态，开关变换器的自身特点使得控制函数只存在1或0两种情况，本次设计选用的开关变换器的控制函数为

[0020]

[0021] 式中，s为上述确定完的切换函数。当s>0时，sgn(x)＝1，反之sgn(x)＝0，滑模控制其等效控制为

[0022]

[0023] 式中，Lfs为函数s(x)对矢量场f(x)的导数，Lgs函数s(x)对矢量场g(x)的导数，[0024] 首先判断滑模存在的必要条件：LgS>0，然后把滑模变结构的等效控制等价为脉宽占空比d，从而实现对三电平Buck变换器的定频控制，即d＝ueq。

[0025] 滑模控制对开关变换器的非线性特征具有天然的适用性，具有稳定范围宽、动态响应快、控制实现简单等优点。

[0026] 本发明所达到的有益效果：

[0027] (1)保留了传统三电平Buck电路减小开关管电压应力和减小电感的优点；

[0028] (2)提高了变换器的动态响应性能，拓宽了应用场合。附图说明

[0029] 图1为本发明的三电平Buck电路示意图；

[0030] 图2为传统的三电平Buck电路示意图；

[0031] 图3为传统的三电平Buck电路模态图；

[0032] 图4为本发明的三电平Buck电路模态图；

[0033] 图5为本发明的三电平Buck电路输出电压闭环控制图；

[0034] 图6为本发明的三电平Buck电路飞跨电容的闭环控制图。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0036] 在传统的Buck电路中，当负载突增时，开通开关管，电感电流变化率可表示为：

[0037]

[0038] 当负载突降时，关断开关管，此时电感电流变化率为：

[0039]

[0040] 如图3所示，在传统的三电平Buck电路中，当负载突增时，开通开关管Q1。电感电流变化率为：

[0041]

[0042] 当负载突降时，关断Q1，电感电流变化率为：

[0043]

[0044] 由上可得，基于两种变换器的输入输出电压相等，传统的三电平Buck变换器中的电感相较于Buck变换器有着明显的减小，从而在负载突降的情况时，三电平Buck变换器的电感电流变化率更快，从而动态响应更好。

[0045] 在本发明的三电平Buck电路，当负载突增时，开通Q1、Q2、Q4，电感电流变化率为：

[0046]

[0047] 当负载突降时，电感电流变化率为：

[0048]

[0049] 本发明的三电平Buck变换器可以和传统的三电平Buck变换器一样正常工作。当负载突变的场合，根据上述公式可以得出在输入输出电压相等的前提下，本发明的三电平Buck变换器的电感相较于Buck变换器是减小的，从而负载突增时电感电流变化率相较于Buck变换器是增加的，与传统的三电平Buck变换器相等。而负载突降时，输入电源、飞跨电容和电感一起放电，从而电感电流变化率是增加的。由上可得，无论负载如何变化，电感电流变化率均是增加的。

[0050] 针对负载突变的应用场合，本发明提出的三电平Buck变换器在保证输出电压的前提下，有效地提高了变换器的动态响应，缩短了电压达到稳定值的时间。

[0051] 针对上述的三电平Buck变换器给出了相应的控制方法：采用闭环控制给予控制开关PWM驱动。对照附图的控制原理框图给出的具体工作原理如下：

[0052] 附图的控制原理框图给出的具体工作原理如下：

[0053] 对于三电平Buck电路的多模态工作，适合采用滑模控制来实现和改善变换器输出电压的动态品质。以闭环的输出电压的偏差及其微分和积分为状态变量，则有：

[0054] x1＝Vref-Vo, 3＝∫(Vref-Vo)dt

[0055] 设滑模控制切换函数为

[0056] s(x)＝k1x1+k2x2+k3x3

[0057] 滑模控制其等效控制为

[0058]

[0059] 把滑模变结构的等效控制等价为脉宽占空比d，从而实现对三电平Buck变换器的定频控制，即d＝ueq

[0060] 对于飞跨电容电压非线性的特性，适合采用模糊PID控制来实现飞跨电容电压的品质。以闭环的飞跨电容电压的偏差及其微分为状态变量，通过模糊控制器分别对Kp，Ki，Kd三个参数进行实时在线修正。

[0061] 本发明通过合理地改善电路拓扑，控制开关管的导通顺序，有效地提高了该变换器的动态性能，缩短了变换器达到稳定电压的所需时间。

[0062] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器	2020-05-08	512
一种高、低电压兼容内置式无刷直流起发电系统	2020-05-11	985
并网逆变器VSG模式和电流源模式无扰动切换控制方法	2020-05-08	638
一种自适应惯性系数的光伏虚拟同步机稳定控制方法	2020-05-11	464
一种基于单相电流源型PWM整流器和dq解耦的电力弹簧系统	2020-05-11	879
一种卫星导航接收机脉冲干扰检测与参数确定方法	2020-05-12	259
一种DC-DC转换器	2020-05-08	608
一种UHF频段机载发射射频电路	2020-05-12	491
LC滤波器	2020-05-08	109
用于微波收发模块的Ku中频下变频模块	2020-05-13	677

一种三电平Buck变换器及其控制方法

一种三电平Buck变换器及其控制方法

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：