Boost變換器滑模變結(jié)構(gòu)控制策略的研究

1引言

常用的開關(guān)電源的閉環(huán)系統(tǒng)，一般是以DC-DC變換器的線性平均模型為基礎(chǔ)，構(gòu)造PID控制器對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，DC-DC變換器的開關(guān)特性決定了它本質(zhì)上是一個(gè)非線性系統(tǒng)，因此基于線性平均模型構(gòu)造的控制系統(tǒng)，不能保證DC-DC變換器可以穩(wěn)定工作在大負(fù)載范圍內(nèi)^[1]。

Boost變換器是一種在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的DC-DC變換器，例如開關(guān)電源中的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，光伏逆變器中的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT環(huán)節(jié)等。然而，Boost變換器的交流小信號(hào)模型傳遞函數(shù)存在著右半平面零點(diǎn)，使得常規(guī)的單電壓閉環(huán)反饋線性控制會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定性問題，難以得到滿意的效果。

滑模變結(jié)構(gòu)控制屬于變結(jié)構(gòu)控制的一種。最早的滑?？刂茟?yīng)用于軍事領(lǐng)域，用來解決導(dǎo)彈的姿態(tài)問題和火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的控制問題。它的研究始于對(duì)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研究。自從滑?？刂评碚撁媸酪詠?，它以其特有的優(yōu)異特性，如對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)不確定性不敏感，很強(qiáng)的抗擾動(dòng)特性等，引起了學(xué)界廣泛的關(guān)注。

2Boost變換器的狀態(tài)空間模型

圖1Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Boost變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。Boost變換器根據(jù)電感電流的狀態(tài)，分為電感電流連續(xù)（CCM）和電感電流斷續(xù)（DCM）兩種工作模式。電感電流連續(xù)是指在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感電流永遠(yuǎn)不會(huì)為零。在電感電流連續(xù)模式下，Boost變換器有兩個(gè)工作模態(tài)^[2]：

①開關(guān)管Q開通時(shí)，電源E向電感L儲(chǔ)能，不向負(fù)載提供能量。輸出端電容C向負(fù)載提供能量。電感電流iL線性增加。如圖2（a）所示；

②開關(guān)管Q斷開時(shí)，電源和電感同時(shí)向負(fù)載提供能量，并且為電容充電。電感電流iL線性減少。由于電感L向外提供能量，所以電感兩端電壓反向。如圖2（b）所示。

工作于CCM模式下的Boost變換器可以被描述為：

（1）

其中u為符號(hào)函數(shù)，表征了開關(guān)狀態(tài)。u=0開關(guān)管關(guān)斷，u=0開關(guān)管開通。