新型滑模控制功率放大器
马 皓,韩思亮
(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)
摘 要:提出了一种新型的双向Buck组合型逆变器,该逆变器采用两组独立、对称的双向Buck电路,结合滑模控制策略,实现高性能的交流信号功率放大.给出了电路的工作原理,对新型Buck逆变器拓扑进行了小信号建模和开环分析.给出了滑模控制方案,分析了滑模控制的存在条件和稳定性条件,并推导了滑模控制系数.通过1.0 kW的实验证明了分析设计的正确性.该功率放大器可以实现交流信号的准确跟踪和放大,输出频率范围可达1.0kHz.滑模控制方案能够有效克服系统参变量变化和外部扰动,充分发挥快速响应和鲁棒性强的优点.
关键词:Buck逆变器;建模;滑模控制
中图分类号:TM464 文献标识码:A 文章编号:1008 973X(2005)11 1801 06
由两组完全对称的双向Buck变换器组成的DC-AC逆变器拓扑是一种新颖、特殊的逆变器拓扑,它不仅具有Buck变换器的优点,而且可以实现高精度开关功率放大器等实际应用[1,2].功率放大器应用输出特性要求稳态和尽可能高的精度,并且对于负载变化具有优良的瞬态响应.鉴于传统的PID控制策略往往整定不良、性能欠佳,对运行工况尤其是负载大幅度变化的适应性较差,变结构控制无论对于线性的还是非线性的系统都公认具有鲁棒性好、可靠性高和控制算法简单等优点[3,4].因为功率开关变换器本身的开关工作特性,它从本质上来说正是周期性的时变结构系统,所以滑模控制策略是对功率变换器具有强适用性的控制方式.滑模控制策略相对于传统控制方案的主要优势在于参变量的鲁棒性,具有良好的动态和稳态响应.滑模控制在DC-DC变换器控制、DC-AC变换器控制、有源滤波器控制、不间断电源(UPS)等许多场合已经得到了广泛的研究[5,6].
本文提出了一种新型的基于滑模控制的正弦波功率放大器,此新型逆变器拓扑由两组完全对称的双向Buck变换器组成.对新型Buck逆变器拓扑进行小信号建模和分析,作为指导,设计了变换器的电感电容(LC)参数.为了实现精确的功率放大和优良的动态响应,采用电容电压和电容电流反馈线性组合的滑模控制策略,分析了滑模控制的存在性和稳定性条件,通过矩阵变换,精确推导了滑模控制系数.最后通过实验验证了分析和设计的正确性.
1 功率放大器的结构和基本工作原理
本文提出的正弦波逆变器电路采用了两组对称的Buck电路,负载跨接在两个Buck变换器的输出端,并以正弦的方式调节Buck变换器的输出电压,从而进行DC-AC变换.Buck型滑模控制DC-AC逆变器的基本框图如图1所示.
两组Buck变换器分别跟踪和放大两个拥有相同直流偏置,且相位相差180°的正弦波参考量,使输出电容电压V1和V2随参考电压的变化而变化,从而使两个Buck变换器各产生一个具有相同直流偏置的正弦波输出电压.由于负载跨接在V1和V2的两端,加在负载上相同的直流偏置相互抵消为零,正弦波部分由于相差180°可视为相叠加,这样可以将其看成是一个半桥电路产生双极性输出电压.因此要求电路中Buck变换器的电流能够双向流通,在实际电路设计中采用双向Buck变换器.等效的Buck逆变器电路如图2所示.
2 Buck小信号建模与稳定性分析
本逆变器只需对其工作在CCM方式下进行建模分析.功率开关管被视为一个三端非线性元件,使得Buck变换器具有非线性特性,因此用线性元件来替代功率开关管以体现变换器的DC和小信号特性[7,8].Buck逆变器的整体交流小信号模型如图4所示.由于本逆变器结构和工作原理的特殊性,使得占空比扰动分析存在两种不同情况:1)两组Buck变换器各自独立工作,所以在小信号分析时,两组占空比扰动可以考虑d^1和d^2两个不同的扰动量;2)因为两组Buck变换器完全对称,有很大几率存在两组占空比扰动量d^1和d^2相同的情况,所以在此特殊变化情况下考虑两组占空比扰动为同一个扰动
7 结 语
本文提出了一种基于滑模控制的正弦波功率放大器.该电路拓扑新颖,滑模控制方案算法简单,与传统的全桥正弦波脉宽调制(SPWM)电路相比,能获得更为理想的正弦输出电压.实验结果表明,基于滑模控制的双向Buck逆变器能够较好地实现DC-AC变换,获得比较理想的正弦输出电压,谐波含量较低,输出电压具有较好的平滑度;在轻载、满载以及负载跳变下,逆变器的输出电压波形均能保持较理想的正弦波形,体现了良好的动态和稳态响应,滑模控制的鲁棒性使逆变器获得了良好的性能;能够输出较宽频率范围的输出电压,输出正弦电压频率达到了1.0 kHz;电路设计简单,参数的确定较为容易,可以减小电感值以及电感的体积;能够较好地跟踪放大输入信号,不但可以输出直流和交流电压,而且对非正弦参考电压信号,如三角波、锯齿波等都能实现特性良好的放大,因此该逆变器可用于信号的功放.本方案的缺点在于两组对称的Buck电路需要两组滑模控制器,控制电路较为繁冗.
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