[发明专利]三电平DC‑DCbuck变换器的二阶滑模控制器及飞跨电容电压平衡方法

摘要

本发明公开了一种三电平DC‑DC buck变换器的二阶滑模控制器及飞跨电容电压平衡方法，其特征在于，包括如下步骤S1，建立二阶滑模控制方法有限状态机控制器，将计算得到的临界切换系数βmin代入二阶滑模控制器；S2，二阶滑模控制器对飞跨电容电压进行平衡控制，并求出不增加开关管开关损耗的负载电流的范围。本发明提出的新颖的二阶滑模控制方法的有限状态机控制器结构。该控制器能够调节输出电压跟踪参考值的同时平衡飞跨电容电压在输入电压值的一半，能够发挥三电平DC‑DC buck变换器相较于传统buck变换器的优势。文中利用的二阶滑模控制方法，不必检测电流，且具有启动过程无超调、动态响应速度快和抗扰动性强的特点。

主权项

一种三电平DC‑DC buck变换器的二阶滑模控制器及飞跨电容电压平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，建立二阶滑模控制方法有限状态机控制器，将计算得到的临界切换系数βmin代入二阶滑模控制器；二阶滑模控制方法的有限状态机控制器中，磁滞参数δ用于限制稳态时的切换频率，参数ε决定用于限制vcf的边界的大小，参数βNmin和βPmin根据βNmin21=-sm+2(Vin-vcf-Vref)2(Vin-vcf),]]>βNmin31=-Sm+2(vcf-Vref)2vcf,]]>βPmin12=sM+2Vref2(Vin-vcf),]]>βPmin13=sM+2Vref2vcf]]>动态更新以便得到无超调的启动和快速的动态响应，有限状态机控制器结构由初始态、状态1+、状态1‑、状态2+、状态2‑、状态3+、状态3‑共7个状态，状态后面的符号“+”表示滑模量s>0，“‑”表示滑模量s<0情况，状态机控制器分为“充电区域”和“放电区域”，当复合状态“状态23‑”被激活后，先进入状态2‑，之后根据切换条件scf＞ε，scf＜‑ε决定是否进行状态2‑和状态3‑之间的切换，当复合状态“状态32‑”被激活后，先进入状态3‑，之后根据切换条件scf＞ε，scf＜‑ε决定是否进行状态3‑和状态2‑之间的切换，左侧相平面中状态3切换至状态1的切换系数βNmin31，右侧相平面中状态1切换至状态2的切换系数βPmin12，其中，状态1+为有限状态机控制器第一状态滑模量大于0的状态、状态1‑为有限状态机控制器第一状态滑模量小于0的状态、状态2+为有限状态机控制器第二状态滑模量大于0的状态、状态2‑为有限状态机控制器第二状态滑模量小于0的状态、状态3+为有限状态机控制器第三状态滑模量大于0的状态、状态3‑为有限状态机控制器第三状态滑模量小于0的状态，状态23‑为有限状态机控制器进入第二状态时，在滑模量小于0的第2状态和第3状态中切换的状态，状态32‑有限状态机控制器进入第三状态时，在滑模量小于0的第2状态和第3状态中切换的状态，Vin是输入电压，vcf为飞跨电容电压，Vlev是飞跨电容充电或者放电电压，左侧相平面中状态2切换至状态1的切换系数βNmin21，左侧相平面中状态3切换至状态1的切换系数βNmin31，右侧相平面中状态1切换至状态2的切换系数βPmin12，右侧相平面中状态1切换至状态3的切换系数βPmin13，Vref为参考电压，scf为输入滑膜量，sm为存储状态2和存储状态3期间s的最小值，sM为存储状态1期间s的最大值；状态机控制器起始于初始态，因为起始时vcf＜Vin/2，只有“充电区域”被激活，“充电区域”内，状态2和状态1间切换迫使s‑s&相平面轨迹向原点移动并迅速进入原点周围的稳态轨迹，vlev在Vin‑vcf和0间切换来合成期望的输出电压，在此过程中状态2不断给飞跨电容充电，直到vcf＞Vin/2即scf＞0，“放电区域”才被激活，“放电区域”内，状态3和状态1间切换能维持与“充电区域”几乎相同的稳定轨迹，即表现出与“充电区域”几乎一致的输出电压特性，vlev在vcf和0间切换来合成期望的电压，在此过程中状态3给飞跨电容放电，切换条件scf＞0和scf＜0，用于判断当先飞跨电容需要放电还是需要充电，从而选择进入“放电区域”还是“充电区域”，从而达到平衡飞跨电容电压的目的，条件scf＜‑ε，scf＞ε则是在负载电流较大时将vcf更精确地限制在Vin/2±ε的边界内，以便获得优秀的输出电压波形，有限状态机控制器结构保证了无论在“充电区域”、“放电区域”还是“充电区域”“放电区域”交替的情形，变换器都拥有一致的优秀输出电压波形，这样，有限状态机控制器既能利用二阶滑模控制方法无超调、快速地调节输出电压跟踪参考值，又能按照飞跨电容充放电需要来选择“充电区域”还是“放电区域”从而实现飞跨电容电压的平衡，条件scf＜‑ε，scf＞ε只有在负载电流足够大时才能满足，状态23‑内部只有状态2‑被激活也是状态2‑和状态3‑均被激活即两个状态交替切换，这取决于条件scf＜‑ε，scf＞ε是否被满足，而条件scf＜‑ε，scf＞ε与负载电流大小有关系，状态23‑也是如此，考虑到系统参数不确定性和负载扰动，某个时刻vcf能偏离期望值Vin/2很远，切换条件scf＞0和scf＜0能够使控制器一直处于“放电区域”或“充电区域”即迫使飞跨电容持续放电或持续充电直到vcf再次进入边界内部，这是在不破坏输出电压波形的前提下让vcf趋近其期望值最快的方法，在复合状态“状态23‑”和“状态32‑”期间，状态2‑与状态3‑的切换只是反转飞跨电容的充放电状态，并不改变输出电压等级vlev，这样，有限状态机控制器就能够平衡飞跨电容电压的同时调节输出电压跟踪参考值；S2，二阶滑模控制器对飞跨电容电压进行平衡控制，并求出不增加开关管开关损耗的负载电流的范围。