Boost電路及雙閉環PI控制仿真實驗分析

周訊杰

國網江蘇省電力有限公司寶應縣供電分公司，江蘇 揚州 225800

0 引言

直流/直流轉換電路，即DC/DC轉換電路（DC/DC Converter），是轉變輸入電壓后輸出固定電壓的電壓轉換電路。關于DC/DC轉換電路的研究，是從20世紀70年代開始。DC/DC轉換電路是電力電子設備的核心結構，其工作狀態影響整個電力電子系統的工作性能。通常情況下，可以采用DC/DC轉換電路保持輸出電壓的穩定性[1]。

DC/DC轉換電路具有高效率、高功率密度、高可靠性等優點，近年來在通信、計算機、工業設備、家電等領域被廣泛應用。DC/DC轉換電路中包含功率開關元件、二極管等非線性元件，因此是非線性系統[2]。各種電子裝置需要使用不同電壓等級的直流電源供電，其中，大型計算機、微型計算機內部通常采用高頻開關電源轉換電路。高頻開關電源轉換電路作為一種特殊的DC/DC轉換電路，與線性系統相比，具有高效、高功率密度、低成本的顯著優勢，因而廣泛應用于電力轉換的許多領域。

DC/DC轉換電路分為隔離型和非隔離型，隔離型包括反激、正激、半橋等電路，而非隔離型包括Buck、Boost、Buck-Boost等電路。在許多情況下，需要從低壓電源轉換為高壓電源，Boost（升壓型）電路是最基本也是最常用的轉換電路。并且，幾乎全部的Boost電路都涉及雙環（即電壓環和電流環）控制。

近20年，MATLAB軟件的Simulink仿真已成為電力和電子技術研究的有力工具。MATLAB語言的強大仿真功能和便利性受到使用者的喜愛。文章針對雙閉環PI控制Boost電路，使用MATLAB軟件在Simulink中進行模擬模型構建和模擬測試，剖析了雙閉環PI控制的原理。

1 Boost電路的應用場景

基本的Boost電路結構簡單，在一般升壓場合得到了普遍應用。

1.1 用于直流電動機傳動

Boost電路用于直流馬達驅動，通常將電力還原到直流電源，用于直流馬達的再生制動[3]。

1.2 用于單相功率因數校正

大范圍、急速變化的電流、電壓給電力網絡帶來了嚴重的電磁干擾（Electromagnetic interference, EMI）問題。各國政府和國際機構制定了限制逆變器輸入諧波電流和功率因數的強制性標準，對此，需要采用功率因數校正（Power factor correction, PFC）技術。Boost電路能夠提高功率因子（Power factor, PF），可以用作PFC轉換電路[4]。

1.3 用于其他交直流電源

Boost電路主要用于低壓微源并入網絡發電、新能源電動汽車、不間斷電源（UPS）等領域。多級Boost電路越來越受關注，這是因為其電壓增益較高，元件應力較低，紋理波較??；電氣隔離型Boost電路在分布式電源、電動機車燃料電池及通信衛星等應用場合得到廣泛關注；研究響應速度快、高可靠性的雙向Boost電路在混合動力汽車的應用中有著十分重要的意義。

2 Boost電路的發展近況

2013年，北京科技大學的閻群等[5]設計了一種新型Boost電路，該新型Boost電路拓撲簡潔性好，適用于電動汽車燃料電池行業。2016年，重慶大學的羅全明等[6]設計了具有倍壓單元的高增益Boost電路，該轉換電路可以減小開關管電壓尖峰和二極管電壓應力等。2017年，西南交通大學的唐麗等[7]設計的新型高增益Boost電路能夠通過較小的占空比獲得更強的電壓增益。同時，該新型轉換電路可以通過降低開關導通與二極管反向恢復時的損壞，達到減小功率損耗的目的，但該轉換電路的結構復雜，控制難度較大。

3 Boost電路的運行模式

DC/DC轉換電路包括直接變流電路和間接變流電路兩大類。其中，直接變流電路也稱斬波電路（DC Chopper）?！皵夭ā弊畛跏侵冈陔娏\用中，出于某種需要，將正弦波的一部分“斬掉”。例如，在電壓為50 V時，用電子元件截止其中的50～0 V的部分，使輸出電壓為0。后來，“斬波”用到DC/DC轉換電路中，主要是指在開關電源調壓過程中，原來為一條直線的電源被線路“斬”成一塊一塊的脈沖。Boost電路（Boost Chopper）作為基本斬波電路中的一種，其結構如圖1所示。圖中，S為開關管，L為電感，C為電容，D為二極管，Vi為電源，Vo、R為負載。

圖1 Boost電路結構示意圖

3.1 連續導通模式（Continuous conduction mode,CCM）

在連續導通模式下，從開關管S關斷至下個周期開關管S導通前，電感L一直處于能量釋放狀態。電路有2個運行過程，分別為開關管S導通時電源Vi對電感L充電，以及開關管S關斷時電感L通過二極管D給負載放電。

當開關管S導通時，電源Vi上的能量通過電感L形成一條回路，可以給電感L充電，此時負載R上的能量完全由電容C提供，相當于拆分成2個電路。中間的二極管D處于關斷狀態，因此2個電路是隔開的，沒有連接。

當開關管S關斷時，電感L的能量通過二極管D釋放，此時二極管D導通。除了釋放電感L的能量，輸入電源Vi也接在二極管D上面，相當于電源Vi和電感L的能量同時向負載提供。

3.2 斷續導通模式（Discontinuous conduction mode, DCM）

在斷續導通模式下，當開關管S關斷時，電感L同時向負載R和電容C放電。電感L不可能一直放電，在電感L放電的過程中電流會減小，可能存在減小至0以后停住的過程。

在斷續導通模式下，與CCM相比，在一個充放電周期內，電路的2個運行過程變為3個。當開關管S導通時，電源Vi對電感L充電，電容C向負載R放電，這一過程和CCM相同；在開關管S關斷且電感L能量釋放完之前（電感L電流減小至0之前），電感L通過二極管D向電容C和負載R提供能量，這一過程也和CCM相同；當電感L的電流減小至0以后，由于輸出電壓比輸入電壓高，二極管D會截止，此時，負載R的能量完全由電容C提供，這就是增加的第3個過程，即開關管S和二極管D全部關斷的情況。在開關管S閉合期間，電感L與電容C上的電壓與CCM一致；電感能量放完后，在開關管S的導通信號未到達的情況下，負載電流僅由電容C提供。

4 雙閉環PI控制的原理

雙閉環控制原理框圖如圖2所示，大部分升壓型功率因數校正控制方法都涉及雙閉環控制。圖中，Uref為參考電壓，取650 V；Vin為輸入電壓，取500 V；Iin為電源的輸入電流，即電感中流過的電流iL；PI控制器為比例積分控制器。

圖2 雙閉環控制原理框圖

雙閉環控制的外環是電壓環，內環是電流環。電壓環以給定的參考值為依據進行控制；電流環可以跟蹤輸入電壓。在CCM操作模式中，存在電壓、電流負反饋控制環路。當存在擾動時，輸出端具有很強的抑制擾動的能力。比較輸出電壓U0與基準電壓Uref，得到的誤差可以通過電壓控制器PI運算輸出。讓輸入電流跟蹤輸入電壓，電流信號和輸入側的電壓采樣信號可以達到同相位，電流控制器也采用PI控制器。電流環的給定值是輸入電壓Vin和電壓環的輸出電流的乘積，可使電流環的輸出電流和輸入電壓相同。

5 MATLAB/Simulink建模

MATLAB可以提供波形輸出和數據輸出，是一種強大的模擬軟件，并且無論對哪個元件和電路進行模擬，都可以獲得準確的模擬結果。利用MATLAB模擬分析方法，可以直觀地描述Boost電路從啟動到穩態的操作過程，并且可以詳細、深入地分析其中的各種現象，以便掌握Boost電路的操作特性。雙閉環PI控制Boost電路的仿真圖如圖3所示。

圖3 雙閉環PI控制Boost電路的Simulink建模

模型模擬的參數如下：

（1）設置電源電壓為500 V，內部電容為1 500 μF；

（2）電源內部電阻為0.01 Ω；

（3）脈沖發生器（pulse generator）的脈沖頻率f=106Hz；

（4）IGBT的參數保持默認值；

（5）負載的電阻值為100 Ω；

（6）電感L為3 600 μH，電容C為1 100 μF。

6 模擬結果分析

設置仿真時間為0.1 s，算法采用ode45，得到輸出電壓V0的波形，如圖4所示。

根據圖4，在經歷了0.01 s左右的波動后，電壓穩定在650 V左右，與參考值保持一致?？梢?，Boost電路通過控制主電路的導通和斷開，將一定的直流斬斷為斷續方波，然后變為直流輸出電壓。

圖4 輸出電壓V0的波形