一种用于自发电系统的四开关升降压变换器控制方法

1.本发明属于电力电子技术与电工技术领域，涉及一种用于自发电系统的四开关升降压变换器控制方法，特别涉及一种四模式四开关升降压变换器工作模式平滑切换的控制方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术的快速发展，在航空航天领域涌现出了各种功能的机载电子设备。飞机外挂吊舱成为飞机装载电子设备的主要方式之一，在机载军事对抗电子设备中得到了广泛的应用。不同的机载吊舱由于吊舱设备种类不同对其电源系统的供电要求也不尽相同，而且吊舱电子设备具有高度的机动性和灵活性，如果要求飞机的电源系统可以满足各种特种吊舱电子设备的供电性能是不切实际的。因此，自发电技术在机载吊舱的电源系统中得到了广泛的应用。
3.在自发电供电系统中，随着飞机飞行状态和环境的变化，发电机输入的其他形式的能量会发生较大变化，发电机的输出电压也因此会因此在较宽的范围变化，需要具有升降压调压功能的变换器对发电机输出电压进行稳压为负载提供稳定的直流电压。在多种升降压电路中，四开关升降压变换器(four switches buck-boost,fsbb)凭借其输入输出电压同极性、电压应力小、无源器件少等优势被广泛应用于宽输入电压范围场合。fsbb电路拓扑如图1所示。在该拓扑中存在两个开关桥臂互补工作和一个电感，因此存在q1的占空比d1和q3占空比d2两个控制自由度。
4.根据一个开关周期内的电感伏秒平衡原理可以得到fsbb的输入输出电压关系为
[0005][0006]
目前针对fsbb的工作模式的研究可以大致分为以下4种类型：(1)单模式控制；(2)buck/boost两模式控制；(3)buck/buck-boost/boost三模式控制；(4)buck/buck-boost方式ⅰ/buck-boost方式ⅱ/boost四模式控制。单模式控制仅需控制一个占空比即可实现升降压功能，不存在工作模式切换问题，但是，四个开关管同时工作并且电感电流的纹波和平均值均较大，因此电路的工作效率低。两模式控制通过判断输入电压与输出电压关系使fsbb分别工作在buck或boost模式，该模式下只有两个开关管工作，开关损耗小。但是，当输入电压与输出电压接近时，buck/boost模式均存在极限占空比问题，输出电压在该处纹波会增大甚至是系统失控。三模式控制根据输入电压范围划分三个区域，分别使其工作在buck、buck-boost和boost模式，但是中间过渡的buck-boost模式效率偏低。进一步提高buck/buck-boost/boost三模式控制的效率，buck/buck-boost方式1/buck-boost方式2/boost四模式控制被提出，在vo和vo
△
v之间采用固定占空比d2＝dn，调节d1的单模式控制，在vo－
△
v和vo之间则采用固定占空比d1＝dm，调节d2的单模式控制。但是四模式控制在不同的工作模式下输入输出电压关系不同，因此在工作模式切换时稳态占空比会发生突变，输出电压也会因此发生波动，波动的程度与稳态占空比的突变程度相关。
[0007]
采用传统的小信号输入电压前馈控制可以抑制输入电压扰动对输出电压的影响，但是仅凭小信号输入电压前馈无法解决工作模式切换时的稳态占空比突变问题，因此当工作模式切换伴随着较大的稳态占空比突变时，输出电压在工作模式切换时会发生严重波动。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的在于提供一种用于自发电系统的四开关升降压变换器控制方法，能够在抑制输入电压扰动的基础上实现不同工作模式的平滑切换，有效缓解了传统小信号输入电压前馈控制在工作模式切换时输出电压发生严重波动的问题，提高了四模式fsbb变换器的输出电压调节性能。
[0009]
本发明为实现上述目的采用如下技术方案：
[0010]
一种用于自发电系统的四开关升降压变换器控制方法，包括变换器和数字控制器，所述变换器对输入电压进行采样，并传送给所述数字处理器，所述数字处理器根据接收到的输入电压确定当前的工作模式，并计算小信号输入电压前馈量，将该前馈量前馈至控制环路输出的占空比控制量，以抑制电压扰动；所述控制器判断当前工作模式是否发生变化，若发生变化则将占空比控制量置零并计算当前的工作模式下的稳态占空比赋值给占空比控制量，以实现输出电压稳定调节。
[0011]
有益效果：
[0012]
(1)本发明通过在不同工作模式下分别引入小信号输入电压前馈控制以消除四开关升降压变换器在四种工作模式下的输入电压扰动对输出电压的影响；
[0013]
(2)本发明在工作模式切换过程中根据输入电压和工作模式计算占空比进行前馈以抑制工作模式切换时的占空比突变对输出电压的影响；
[0014]
(3)本发明在控制环路中引入双重输入电压前馈，不仅消除了输入电压扰动对输出电压的影响还实现了四种工作模式之间的平滑切换，改善了输出电压的稳定性，相较于单电压环的调节方式，前馈的调节方式调节速度更快，调节的效果更好。
附图说明
[0015]
图1为现有技术中的fsbb电路拓扑示意图；
[0016]
图2为本发明一个实施例的中双重输入电压前馈控制框图。
[0017]
图3为本发明一个实施例的四模式fsbb在相邻工作模式切换时的占空比突变示意图；
[0018]
图4为本发明一个实施例的四模式fsbb在相邻工作模式切换时无输入电压前馈下的输出电压调节过程；
具体实施方式
[0019]
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0020]
如图2所示，本发明为一种用于自发电系统的四开关升降压变换器工作模式平滑切换控制方法。
[0021]
变换器工作中对输入电压采样，将当前输入电压传送给数字处理器，如dsp等，在
数字处理器中根据输入电压确定当前工作模式并计算小信号输入电压前馈量前馈至如图3所示的控制环路输出的占空比控制量。在控制器中判断当前工作模式是否发生变化，若发生变化则将占空比控制量置零并计算当前的工作模式下的稳态占空比赋值给占空比控制量。本发明通过双重输入电压前馈实现输出电压稳定调节。
[0022]
下面对本发明的双重前馈分别进行介绍。
[0023]
如图3所示，根据输入电压与输出电压关系将输入电压划分为四个工作模式区域，在变换器工作时将根据当前的输入电压采样值决定fsbb的工作模式，将控制器输出的占空比控制量给相应的开关管调节输出电压。四个工作模式分别为：buck模式、buck-boost降压模式、buck-boost升压模式以及boost模式。本实施例中的变换器为四开关升降压变换器，四开关升降压变换器在四种不同的工作模式下的小信号输入电压前馈函数不同，输入输出电压关系也不同，在工作模式切换时会发生稳态占空比突变，输出电压因此会发生波动。在四个工作模式下的前馈函数具体为：
[0024]
buck模式：
[0025][0026]
buck-boost降压模式(固定占空比d2＝dn)：
[0027][0028]
buck-boost升压模式(固定占空比d1＝dm)：
[0029][0030]
boost模式：
[0031][0032]
式中v
in
为输入电压，vo为输出电压，d’＝1－d，r为负载电阻，vm为pwm调制器的幅值。在四种工作模式下根据输入电压和式(1-2)至式(1-5)计算当前工作模式下的小信号输入电压前馈量，并将该前馈量叠加至反馈控制环路输出的占空比控制量中，从而抑制输入电压扰动对输出电压的影响。
[0033]
四开关升降压变换器在四种不同的工作模式下小信号输入电压前馈函数不同，输入输出电压关系也不同，在工作模式切换时会发生稳态占空比突变，输出电压因此会发生波动，如图4所示，为在无前馈的情况下，四模式控制方式下相邻工作模式切换过程示意图。可以从图中得出，在buck模式与buck-boost降压模式、buck-boost降压模式与buck-boost升压模式、buck-boost升压模式与boost模式的切换过程中均出现了电感电流和输出电压的严重波动。本发明在工作模式切换时，将当前工作模式下的稳态占空比前馈至占空比控制量，以实现对该突变占空比的快速补偿，以实现输出电压的快速稳定。具体的，
[0034]
根据四种工作模式下的输入输出电压关系和输入电压，计算出当前工作模式下的稳态占空比，在工作模式切换时将占空比控制量置零并将当前工作模式下的稳态占空比前馈至占空比控制量，如式(1-6)至式(1-9)。
[0035]
buck模式：
[0036][0037]
buck-boost降压模式：
[0038][0039]
buck-boost升压模式：
[0040][0041]
boost模式：
[0042][0043]
式中vref为输出参考电压。
[0044]
当变换器的工作模式发生变化时，根据输入电压和式(1-6)至式(1-9)计算出当前工作模式的稳态占空比并将其直接赋值给占空比控制量。
[0045]
本发明的工作原理是：
[0046]
在变换器建模中，存在输入电压到输出电压的传递函数，因此输入电压中的扰动信号也会因此反映到输出电压上，若仅仅提供单电压环进行调节本身存在一定的延迟，调节效果差。提供引入小信号输入电压前馈函数可以抵消输入电压中的小信号扰动对输出电压的影响。但是，在工作模式切换时由于稳态占空比会发生突变，因此导致工作模式切换时输出电压可能会发生较大的波动，若在工作模式切换时将当前工作模式下的稳态占空比前馈至占空比控制量，即可以对该占空比突变量进行快速补偿实现输出电压快速稳定。
[0047]
本发明提出了一种用于自发电系统的四开关升降压变换器工作模式平滑切换控制方法，此方法通过引入双重输入电压前馈可实现工作模式的快速平滑切换，提高了四模式四开关升降压变换器输出电压的调节性能。
[0048]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。