Comparative evaluation of sliding mode fuzzy controller and PID controller for a boost converter

Nonlinear controllers such as fuzzy controllers and sliding mode controllers have been applied to boost converters because of their nonlinear properties. Although both fuzzy and sliding mode controllers have desirable characteristics, they have disadvantages in practice when applied individually. A sliding mode fuzzy controller is proposed to control boost converters. The sliding mode fuzzy controller combines the advantages of both fuzzy controllers and sliding mode controllers. It also has advantages of its own that are well suited for digital control design and implementation. A sliding mode fuzzy controller is designed and verified with experimental results using a prototype boost converter with a DSP-based digital controller. Experimental results of the boost converter using sliding mode fuzzy control are evaluated in comparison with experimental results using a linear PID and PI controller. The comparison indicates that the sliding mode fuzzy controller is able to obtain the desired transient response under varying operating points without chattering. The startup response using sliding mode fuzzy control is superior to the response using PID and PI control, while the load transient response shows no obvious advantage.     

DC-DC变换器双线性系统建模及基于李亚普诺夫直接法的控制方法

首先建立了DC-DC变换器双线性系统数学模型,结合控制目的进行适当变形,得到DC-DC变换器的闭环非线性控制系统模型。基于Lyapunov直接法,总结出构造Lyapunov函数和求取控制律的一般步骤,适用于所有数学模型可以表示成双线性系统的DC-DC变换器。以Sepic变换器为例,成功构造出Lyapunov函数,并且推导得到一种使Sepic变换器控制系统渐近稳定的控制律,仿真结果证实了该文提出的新型控制律的有效性。     

基于扩展状态平均法的隔离型多端口移相全桥双向直流变换器建模研究

建立了一种用于混合储能系统的隔离型多端口双向直流变换器的数学模型。通过星-网变换建立了移相控制下直流变换器多端口网型等效电路,通过扩展状态平均法建立了N端口变换器在电感电流连续时的状态平均模型和小信号模型,并分析了各端口之间传输的功率。仿真比较了不同端口数下变换器的模型输出和拓扑输出,并以三端口变换器为例,分析了移相比扰动下的模型和拓扑电路的动态响应。结果表明,提出的多端口直流变换器的数学模型能够准确反映移相控制下多端口变换器的稳态性能和动态性能,且对于不同端口数量的直流变换器具有普遍适用性。     

P-type non-isolated boost DC-DC converter with high voltage gain and extensibility for DC microgrid applications

In this paper, the concept of converter design, using the least number of elements and achieving high voltage gain at the low duty cycle, is proposed for the microgrids. One of the important issues in the microgrids is boosting the low voltage output of sources to the utility voltage level. Therefore, the step-up DC-DC converters are widely used in these systems to attain the utility voltage. The benchmarking of the converters mainly in terms of the voltage gain, efficiency, the number of active and passive components, stresses on semiconductors, and simplicity is considered. In this paper, a new extendable non-isolated boost DC-DC converter is presented. Comparing the conventional boost converter, the basic structure of the proposed converter has a high voltage gain and reduced stress on the switch. To increase the voltage gain, the basic structure of the proposed converter can be easily extended. The modulation technique employed is high-frequency pulse-width modulation (PWM). The detailed analysis of the proposed converter in continuous current mode (CCM) and discontinuous current mode (DCM) is presented. The relations between currents and voltages and the voltage gain in CCM and DCM are obtained. Experimental results are carried out to verify theoretical concepts by using the hardware prototype.     

开关DC-DC变换器双频率脉冲序列调制技术

提出一种新颖的开关DC-DC变换器调制方法:双频率脉冲序列调制(bi-frequency pulse train modulation,BF-PTM)方法。BF-PTM通过对两组频率不同、但导通时间相同的控制脉冲进行调制,实现开关变换器输出电压的调节。BF-PTM适用于各种开关变换器拓扑。以电感电流断续模式(discontinuous conduction mode,DCM)Buck变换器为例,分析BF-PTM开关变换器的工作原理及控制特性,并进行相应的仿真及实验研究。研究结果表明,BF-PTM控制开关变换器具有优于PWM开关变换器的瞬态响应和电磁干扰特性。     

车载充电PWM软开关DC-DC变换器研究综述

作为车载充电机的关键部分,DC-DC变换器直接影响其运行效率,近年来,众多学者围绕PWM软开关DC-DC变换器开展研究并已取得可供借鉴的研究成果,旨在实现DC-DC变换器在整个充电过程中的高效运行。针对车载充电系统,首先指出DC-DC变换器设计要求,并分析传统原边移相控制全桥DC-DC变换器固有的不足,再从主电路拓扑、驱动方式和控制策略三个方面,详述车载充电机中PWM软开关DC-DC变换器研究进展。最后,剖析现有PWM软开关DC-DC变换器技术方案的优势与不足,并指出未来工作方向以实现DC-DC变换器系统效率全面提升。     

基于多线圈变压器的DC-DC变换器闭环控制策略

级联式DC-DC变换器因具备高耐压能力的优势,被广泛应用于高压直流输电。在级联式变换器中,将多个模块中的独立变压器整合为一个共享磁芯回路的多线圈变压器,可自动均衡模块电容电压,降低系统复杂程度。针对基于多线圈的级联式DC-DC变换器提出了一种闭环控制策略,为设计移相闭环控制器,采用周期平均法及小信号动态分析法对系统进行建模,引入校正环节改善了系统的稳态和暂态性能,实现了级联式DC-DC变换器输出电压的稳定控制。最后,在Matlab/Simulink环境中搭建了系统仿真模型,验证了所提级联式DC-DC变换器闭环控制方法的可行性。     

电流馈入双向DC/DC变换器综合方法初探

本文探讨电流馈入双向DC/DC变换器的综合方法，首先运用对偶原理从电压型变换单元推导电流型变换单元，将任一电压型变换单元与任一电流型变换单元组合构成电流馈入双向DC/DC变换器。以其中一个电流馈入双向DC/DC变换器为例，进行理论与仿真研究。     

一种非隔离改进二次型Boost高增益DC-DC变换器

为克服二次型Boost变换器升压能力受限、开关应力大等问题,提出一种非隔离改进二次型Boost高增益DC-DC变换器。所提出的变换器具有两种拓扑结构。对两种拓扑结构的工作原理进行了分析,从理论上推导了电路拓扑的电压增益和开关应力,并与现有变换器进行比较。提出的变换器在提高输出增益的同时,还能降低开关应力、提高转换效率。在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,仿真结果验证了理论计算的正确性。搭建了样机,通过理论推导和样机试验结果的对比分析,验证了该变换器设计方案的可行性。     

基于自抗扰控制的双向DC-DC变换器并联均流控制

双向DC-DC变换器作为微电网的重要组成部分,可以实现各个微源之间的能量流动,但变换器并联运行时存在均流问题。为了解决双向DC-DC变换器的抗扰动能力和均流控制效果,在建立双向DC-DC变换器数学模型的基础上,设计了一种电压电流双闭环自抗扰控制(ADRC)策略,同时考虑双向DC-DC变换器并联运行的均流特性,将ADRC与中间电流均流控制相结合,提出了一种适用于DC-DC变换器的自抗扰均流控制算法。仿真结果表明,与传统PI控制系统相比,该控制系统具有更优的快速性、鲁棒性和适应性。     

新型软开关相移控制双向DC-DC变换器的综合

提出了一类新型软开关相移控制双向DC-DC变换器。这些变换器均由一些简单的开关单元组合而成。变换器中的功率传输为相移式控制。在正向工作模式和反向工作模式中变换器都可实现软开关工作。通过一个实例电路具体介绍了新型变换器的工作原理和分析，并提供了实验结果。     

邻周期采样的数字控制DC-DC开关变换器

针对高频DC-DC开关变换器,提出了数字控制DC-DC开关变换器的邻周期采样(adjacent cycle sampling,ACS)控制方法,缓解硬件处理速度与系统瞬态性能之间的矛盾。依据纹波控制方法,ACS控制算法利用硬件空闲阶段采样数据,增大环路预留时间,消除占空比的影响。采用ACS控制算法,推导出适用于后缘调制降压型DC-DC开关变换器的数字V2控制律和电流控制律,并且研究了次谐振荡现象及其数字斜坡补偿消除方法。仿真结果表明,在相同的硬件条件,对于负载的瞬间扰动,数字V2控制较数字电流控制具有更快的瞬态响应速度;与现有技术相比,ACS控制方法可有效提高系统的瞬态响应性能。     

一种基于直流电容取电的多电平变流器电容动态均压方法

多电平变流器的电容电压不均问题影响装置容量利用率、稳定运行以及电能质量。提出一种基于直流电容取电的多电平变流器动态电阻均压装置及控制方法。该装置由低压金属氧化物半导体场效应管（metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET）与电阻串联构成动态均压电阻,通过宽范围电压输入型DC-DC电源从直流电容获取功率,并采用滞回比较、占空比控制等方法控制低压MOSFET的开通和关断,实现多电平变流器各电容电压的动态均衡控制。该装置增加的成本较低,控制方法较为简单,易于实现,适用于各种多电平变流器结构,通用性较强。基于PSCAD/EMTDC的仿真表明,提出的动态电阻均压装置和控制方法能够良好地实现多电平变流器直流电容的动态均压控制。     

高电压增益混合型DC-DC变换器研究

随着分布式发电的出现,对高增益DC-DC变换器的要求越来越高。为了获得更高的电压增益,提出一种光伏发电用混合型高电压增益非隔离单开关DC-DC变换器。该变换器将传统的Boost和Cuk变换器并联,详细讨论了其拓扑结构、工作原理以及电路参数设计,实现了基于Matlab/Simulink的仿真研究和基于单片机的150 W实验样机。仿真研究和实验结果与理论分析吻合较好,验证了理论分析的正确性以及混合型DC-DC变换器拓扑结构的有效性。所提混合型拓扑使用元件数较少的单一功率开关,并能提供比非隔离式传统变换器更高的电压增益。该拓扑在单功率开关作用下可提供连续电流的工作模式,而且降低了功率开关和二极管的电压应力。     

一种混合耦合电感和开关电容的DC-DC升压变换器

为满足工业应用中高电压增益DC-DC变换器的要求,在基本boost变换器基础上,利用耦合电感和开关电容技术,研究了一种具有高电压变比的boost变换器。该变换器将耦合电感和电容混合连接,通过耦合电感对电容进行充电,提高升压变比,而且开关管和二极管等功率器件的电压应力能够得到有效降低,同时耦合电感漏感的能量可以回收和再利用,有利于提高变换器的效率。详细分析了该变换器的工作原理和稳态特性,最后通过搭建一个实验样机,验证了理论分析的正确性。     

组合式前端DC-DC变换器

保持时间是直流分布式电源系统中前端DC-DC变换器的一项特殊的性能指标。它要求该DC-DC变换器必须能工作在很宽的输入电压范围内，因此导致正常工作状态下的变换效率大大降低。该文提出了一种不对称半桥与后备升压单元组合的电路拓扑，特殊控制的升压单元仅在保持时间工作、保证主功率变换单元的输入电压变化范围很小因而总是工作在最佳状态，而在正常工作模式下被自然旁路。并且变换器正常，保持工作模式转换平滑。实现了整个前端变换器模块的高效率、高功率密度和足够的保持时间。详细分析了新拓扑的工作原理及其控制方法，并给出了600W样机的仿真和实验验证结果。     

一种改善DC-DC变换器动态性能的数字控制方式

针对低压大电流DC-DC变换器负载经常变化的特点,以动态过程输出电压超调量最小和调节时间最短为目的,提出了一种改善DC-DC变换器动态性能的数字控制方式。将变换器在负载变化时的暂态过程分为两个阶段,在每个阶段内对占空比进行直接设置,使开关处于一直导通或一直关断的状态,通过计算两个阶段转折点的输出电压并与采样电压比较以决定开关的状态。该控制方式在负载突变时和计算开关状态时间的最优控制方式有同样的性能,而算法的实时计算量却大幅降低。实验结果表明分段控制可以有效改善DC-DC变换器的动态性能。     

DC-DC变换器的通用大信号自适应控制策略构建

针对DC-DC变换器工作点大信号范围变化的情况,提出了一种DC-DC开关变换器的通用大信号自适应控制策略。将开关变换器全局工作区域分割成若干子区域并分别进行小信号建模与线性补偿设计,依据权函数将各个子区域的线性补偿器通过凸组合构建出全局控制器结构,权函数依据外部扰动自助确定各局部线性补偿器的作用权重系数,从而具备"区域自适应功能"。根据所提大信号控制结构,DC-DC变换器的非线性控制问题可以间接通过线性补偿解决,从而保留经典频域法具备物理意义明确和易于设计的优点。最后,分别以基本Buck变换器和级联DC-DC变换器为研究对象,说明了大信号控制策略的设计过程并通过仿真和实验验证了控制策略的有效性。     

一族正反激组合式双向DC-DC变换器

提出了一族正反激双向DC-DC变换器。它采用正激和反激组合的形式，在变换器的一侧绕组串联，另一侧并联。这种结构的双向变换拓扑解决了电流型一电压型组合式拓扑的开关管电压尖峰问题和启动问题。正激和反激组合式的拓扑，减小了反激变压器传递的功率，而使一部分功率以正激形式传递，为其在较大功率场合的应用提供了拓扑基础。文章以有源箝位正反激双向变换器为例，详细分析了其工作原理，着重分析了开关时序问题和软开关实现问题，并推导了其稳态工作基本关系。通过构建试验样机平台，证明正反激双向DC-DC变换器理论分析的正确性。最后，给出了一族基于正反激原理的双向DC—DC变换器。     

差动正激直流变换器型高频环节逆变器

提出差动正激直流变换器型高频环节逆变器电路拓扑,并对该变换器的电路拓扑、瞬时电压控制策略、稳态原理特性、关键电路参数设计准则等进行了深入地分析研究。该逆变器是由2个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流正激直流变换器以差动电路构成。理论分析和仿真结果表明,该变换器具有高频电气隔离、电路拓扑简洁、双向功率流、输出电压纹波小、负载适应能力强等优点。原理实验证实了这种逆变器的正确性与可行性,为实现新型逆变电源奠定了关键技术基础。