基于滑模变结构的交错并联Boost 电路均流控制研究∗

吴社民，李素敏

(1.安阳职业技术学院机电工程学院，河南 安阳 455000；2.许昌电气职业学院电气工程系，河南 许昌 461000)

能源的合理利用一直是现阶段能源行业研究者所关注的重点方向，Boost 电路因其优越的直流变换能力而被广泛应用于功率因数校正、光伏发电等领域[1－2]。而多路交错并联型Boost 电路更是因其电感电流应力较小、利于电流均分等优点常常代替单路Boost 电路[3]。

现今对多路交错并联型Boost 电路的研究主要包括电路结构分析、控制方法、均流方法等。文献[4]为了提升DC/DC 变换器的电压增益，提出了可拓展的高增益耦合电感交错并联Boost 电路。文献[5]利用同相耦合电感的特点给出了Boost 端同相耦合电感交错并联Buck-Boost 电路结构。文献[6]在传统交错并联Boost 电路的基础上添加了辅助电路，实现开关管的零电流开通，降低了电路的开关损耗。文献[7]提出一种适用于三相交错并联Boost 电路的双闭环控制策略，降低了相电流纹波。文献[8]通过小信号模型建模的方式，设计了电流环和电压环内模控制器。文献[9]在传统交错并联Boost 电路中加入开关电容，从而提高能量利用率，同时采用混合闭环控制方法降低了输出电压的超调量。

本文以三路交错并联Boost 电路为研究对象，通过电压电流双闭环控制方法对电路的输出电压以及三路电感电流进行控制，同时采用调制波交错相移的方式实现电感电流的均流控制。

1 三路交错并联Boost 电路结构

图1 为三路交错并联Boost 电路结构图，图中，直流侧稳压源为Udc，直流侧稳压电容为C1，三路交错并联Boost 电路的三个电感用Ly表示，R表示负载。y＝1，2，3。

图1 三路交错并联Boost 电路结构图

三路交错并联Boost 电路相对于单路Boost 电路，所选的二极管和开关器件无需分开选取，集成模块使得器件体积更小。三路交错并联Boost 电路的电压频率提升3 倍，能够使得输出电容的容值降低3 倍，但提升电容值能够降低输出电压波动。

2 电路分析

在分析电路之前，首先需要假设几个条件:

①所有器件都是理想器件；②输出电容是无限大容量电容。

因此，如图2 所示，可以总结三路交错并联Boost 电路的八种工作模式为:

图2 八种工作模式

工作状态1:电路中三个IGBT S1、S2、S3均导通，直流输入电压信号Udc流经三个电感L1、L2、L3后流经三个IGBT 构成回路，因此，C1放电供给后级逆变器。三个电感上电压均为左正右负，三路二极管均处于关断状态，三路电感电流都上升。

工作状态2:S1、S2导通，S3关断，直流输入电压信号Udc流经两个电感L1、L2后流经两个IGBT 构成两个回路，两个电感L1、L2电流都是上升。直流输入电压信号Udc流经电感L3、二极管D3、滤波电容C1构成回路，电感L3电流下降。

工作状态3:S1、S3导通，S2关断，直流输入电压信号Udc流经两个电感L1、L3后流经两个IGBT 构成两个回路，两个电感L1、L3电流都是上升。直流输入电压信号Udc流经电感L2、二极管D2、滤波电容C1构成回路，电感L2电流下降。

工作状态4:S1导通，S2、S3关断，直流输入电压信号Udc流经电感L1后流经S1构成回路，电感L1电流上升。直流输入电压信号Udc流经电感L2、二极管D2、滤波电容C1构成回路，电感L2电流下降。直流输入电压信号Udc流经电感L3、二极管D3、滤波电容C1构成回路，电感L3电流下降。

工作状态5:S1关断，S2、S3导通，直流输入电压信号Udc流经两个电感L2、L3后流经两个IGBT 构成两个回路，两个电感L2、L3电流都是上升。直流输入电压信号Udc流经电感L1、二极管D1、滤波电容C1构成回路，电感L1电流下降。

工作状态6:S1、S3关断，S2导通，直流输入电压信号Udc流经电感L2后流经S2构成回路，电感L2电流上升。直流输入电压信号Udc流经电感L1、二极管D1、滤波电容C1构成回路，电感L1电流下降。直流输入电压信号Udc流经电感L3、二极管D3、滤波电容C1构成回路，电感L3电流下降。

工作状态7:S1、S2关断，S3导通，直流输入电压信号Udc流经电感L3后流经S3构成回路，电感L3电流上升。直流输入电压信号Udc流经电感L1、二极管D1、滤波电容C1构成回路，电感L1电流下降。直流输入电压信号Udc流经电感L2、二极管D2、滤波电容C1构成回路，电感L2电流下降。

工作状态8:S1、S2、S3关断，直流输入电压信号Udc流经电感L1、二极管D1、滤波电容C1构成回路，电感L1电流下降。直流输入电压信号Udc流经电感L2、二极管D2、滤波电容C1构成回路，电感L2电流下降。直流输入电压信号Udc流经电感L3、二极管D3、滤波电容C1构成回路，电感L3电流下降。

3 控制策略

三路交错并联Boost 电路能够均分电压电流，降低电压电流应力。其采用的调制方法是在一个导通周期内三路开关器件的触发脉冲相差120°，相互导通减小了输入电流的纹波幅值，当三个Boost 电路的占空比均为1/3 时，输入电流纹波为0，图3 所示为三路交错并联Boost 电路的工作原理波形。

图3 调制方法

本文提出的控制方案为电压外环电流内环的控制模式，电压外环采用PI 控制，电流内环采用滑模变结构，控制结构如图4 所示。由相同调制波和载波生成第1 路PWM 波，另两路PWM 波通过相移获得。

图4 控制框图

滑模变结构的设计包含滑模面选取和趋近率的设计。选取滑模面函数为:

式中:k为滑模系数且有x2＝。

滑模变结构的动态性能较好，原因就是采用趋近率去改善动态性能，本文采用一种趋近率为:

式中:k2和ε为趋近系数。

三路Boost 电路的输出电容电压和输入电压之间的关系为:

单相Boost 变换器从占空比到电感电流的传递函数为:

单相Boost 变换器从占空比到输出电压的传递函数为:

单相Boost 变换器从电感电流到输出电压的传递函数为:

三路交错Boost 变换器从占空比到电感电流的传递函数为:

三路交错Boost 变换器从占空比到输出电压的传递函数为:

三路交错Boost 变换器从电感电流到输出电压的传递函数为:

电压环的控制结构如图5 所示。

图5 电压环控制框图

图5 中，Gcu(s)表示电压外环的控制器传递函数，Gm(s)表示脉宽调制器的传递函数，Gui3(s)表示从电感电流到输出电压的传递函数，Hu(s)表示电压反馈增益。因此，电压控制环开环传递函数为:

4 实验验证

为了验证本文所提出内容的有效性，搭建了实验平台对其进行了实验验证，平台如图6 所示。

图6 实验平台

如图7 至图9 是为了验证本文所提方法有效性而在仿真软件MATLAB 中做出的仿真波形，从波形中能够看出，输出电压能够被稳定在给定值330 V。同时，从均流和不均流控制下能够看出，均流控制下电感电流均匀分布，而不均流下的电感电流杂乱无章。

图7 输出电压仿真波形

图8 不均流时电感电流仿真波形

图9 均流时电感电流仿真波形

图10 至图12 是对应仿真在图6 中的实验平台中所得到的实验波形。从波形中能够看出，输入电压为50 V，输出电压为100 V，实现升压效果，输出电压稳定。从不均流以及均流的实验波形中能够看出，电感电流与仿真效果一致，验证了本文所提内容的有效性。

图10 输入电压和输出电压实验波形

图11 不均流时电感电流实验波形

图12 均流时电感电流实验波形

5 结论

三路交错并联Boost 电路相对于单路Boost 电路，具有电流应力较小、体积小，输出稳定等优势。本文提出一种基于电压电流双环控制方式，电压环采用PI 控制，电流环采用滑模变结构，同时采用了PWM相移的电感电流均流方式。实验波形验证了本文所提控制策略的有效性，三路交错并联Boost 电路输出电压稳定，电感电流均流。