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        Z 源升壓變換器電路建模與控制研究

        2023-07-29 12:05:36李明李永華
        電子制作 2023年13期
        關(guān)鍵詞:閉環(huán)控制等效電路導(dǎo)通

        李明,李永華

        (陽(yáng)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,廣東陽(yáng)江,529566)

        0 引言

        近年來(lái),太陽(yáng)能、光伏等可再生能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速。高升壓比DC/DC 變換器對(duì)輸入電壓范圍提出了越來(lái)越高的要求,作為新能源發(fā)電技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),DC/DC 變換器的研究與應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注[1]。Boost 變換器是最常用的DC/DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但其輸出電壓有限,當(dāng)開關(guān)管占空比非常接近1 時(shí),Boost 變換器才能達(dá)到較大的升壓比[2]。Z源升壓變換器將Boost 變換器的輸入電感用Z 源拓?fù)浯嬉赃B接輸入電源和輸出整流電路,通過控制主開關(guān)管占空比實(shí)現(xiàn)升壓,在占空比小于0.5 的情況下也可以使升壓因子達(dá)到(1-D)/(1-2D)[3]。

        為了能夠更好地利用Z源升壓變換器,本文應(yīng)用狀態(tài)空間法,將Z源升壓變換器電路模型進(jìn)行了小信號(hào)建模,并設(shè)定主電路參數(shù)對(duì)此變換器進(jìn)行頻域分析,為其控制器的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。根據(jù)結(jié)果進(jìn)行了電流和電壓雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì),并計(jì)算該工作模式時(shí)的閉環(huán)控制參數(shù)。通過PSIM 仿真給出了系統(tǒng)的雙閉環(huán)補(bǔ)償前后的輸出電壓波形圖。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確認(rèn)性。

        1 Z源升壓變換器電路建模

        ■1.1 Z源升壓變換器電路

        圖1 為Z源升壓變換器原理圖[4],其中Z 源網(wǎng)絡(luò)由L1、L2、C1、C2 共同組成,S 為主開關(guān)。

        圖1 Z源升壓變換器拓?fù)潆娐?/p>

        對(duì)一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi),可分為導(dǎo)通和截止兩個(gè)子時(shí)間段,假定占空比為d。在0≤t≤dT時(shí)S 導(dǎo)通,其等效電路如圖2(a)所示;在dT≤t≤T 時(shí)S 截止,其等效電路如圖2(b)所示。

        圖2 Z源升壓變換器等效電路

        圖3 傳遞函數(shù)的波特圖

        圖4 電流環(huán)的控制策略

        圖5 電壓環(huán)的控制策略

        ■1.2 建模過程

        導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的方程如下:

        截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的方程如下:

        其中:

        由于Z 源網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)稱性,根據(jù)電路的等效性和對(duì)稱可得[6]:

        ■1.3 頻域分析

        2 Z源升壓變換器控制方法

        綜合上述電流電壓控制,可得Z 源升壓變換器的控制策略如圖6 所示。

        圖6 Z源升壓變換器的控制策略

        3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證前述理論分析正確性,利用PSIM 軟件搭建仿真電路,并在實(shí)驗(yàn)室搭建小功率硬件電路,在電流連續(xù)工作模式下進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)。仿真參數(shù)如前所述:L1=L2=0.1 mH,C1=C2=100μF,L3=0.2 mH,C3=400 μF,R=150 Ω,Vg=12V,D=0.4。另設(shè)定開關(guān)管頻率為20 kHz。開環(huán)和雙閉環(huán)控制下輸出電壓的仿真波形分別如圖7(a)、7(b)所示。

        圖7 輸出電壓波形

        從圖7 中可以看出沒有控制環(huán)節(jié)的電壓輸出紋波較大,不易濾除。增加了本文所設(shè)計(jì)的電流電壓雙閉環(huán)控制部分后能得到比較理想的波形。

        Z源升壓變換器實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)一致。當(dāng)加入雙閉環(huán)控制后,輸出電壓的波形和仿真波形相符。

        4 結(jié)束語(yǔ)

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