基于四开关Buck-Boost带相位补偿的扰动效率极值搜索方法

基于四开关buck-boost带相位补偿的扰动效率极值搜索方法
技术领域
1.本发明属于电力电子领域，具体涉及一种基于四开关buck-boost变换器带相位补偿的扰动效率极值搜索方法及buck-boost变换器装置。


背景技术：

2.随着当前汽车行业的不断发展，其行业内传统的线性稳压器正逐渐被高效直流变换器所取代。随着转化器数量的不断增加，变换器的拓扑结构的选择对效率的提高将对汽车能耗产生重大影响。而四开关buck-boost作为一种非隔离型的升降压直流变换器，其特点有电路结构简单，开关器件具有高电压应力，所以如何提高该变换器的效率也是研究者不断探讨的问题。为了寻找变换器的效率极值点，提出过很多相关的极值搜索算法，比如基于梯度的最速下降法、基于扰动的经典极值搜索算法以及基于滑模的极值搜索算法。并基于上述极值搜索算法提出了很多改进。在本发明探索了四开关buck-boost直流变换器不同桥臂的控制脉冲的占空比以及桥臂控制脉冲间相位差与运行效率之间的关系后，本发明提出将一种改进过后的带相位补偿的扰动效率极值算法应用于四开关buck-boost变换器中。通过带相位补偿的扰动极值算法能有效将工作于一种三模态的四开关buck-boost变换器效率提高，使之工作于效率极值位置。该极值搜索算法有效的提高了四开关buck-boost运行效率。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的不足，本发明提供了一种带相位补偿的扰动效率极值搜索方法控制占空比在线优化。并基于四开关buck-boost开关模型应用了带相位补偿的扰动效率极值搜索和pi控制结合去调节两个半桥的占空比da、db以及控制脉冲相位差三个变量。使变换器工作在一种三模式状态下，该模式下，a、b相桥臂脉冲的开始时刻相同，而相位差由a，b相脉冲自动确定。当输出功率恒定时，调节da的值后通过pi调节db的值使输出功率恒定，对应着一个变换器效率。并且发现当变换器工作于三模态下时存在一个令变换器运行效率最高的da、db组合。所以本发明提出将带相位补偿的极值搜索算法控制四开关buck-boost变换器中的da来寻优运行效率最高点。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
5.一种基于四开关buck-boost变换器的带相位补偿的极值搜索算法，包括以下步骤：
6.步骤1：设置一个初始da值输入到四开关buck-boost变换器中控制a相桥臂，然后进入步骤2；
7.步骤2：采样输入电流信号iin，然后进入步骤3；
8.步骤3：将采样得到的输入电流信号iin进行相位偏移，然后进入步骤4；
9.其中，输入电流信号iin是通过下式进行相位偏移的操作。式中ρ为相位偏移的阶数，单相位偏移最大能够补偿0.5π的位移。
[0010][0011]kw
、t为相位偏移的参数，这两个参数在相位补偿上具有重要作用。两参数设置与扰动信号频率w以及滤波器截止频率w
l
相关，如下式所示；
[0012]kw
＝k*w
[0013][0014]
步骤4：将进行了相位偏移的输入电流信号进行滤波，滤波器目的为滤去高次谐波，滤波器表达式如下式所示，然后转到步骤五；
[0015][0016]
其中，滤波器的截止频率为wh，经过上述滤波器后得到了变换器输入电流iin的估计值；
[0017]
步骤5：对输入电流信号iin的估计值与正弦扰动信号相乘，扰动信号的表达式如下式所示，然后转到步骤6；
[0018]
α*sin(wt)
[0019]
其中，扰动信号参数为幅值系数α和信号周期w为正弦扰动信号参数，参数α大小会影响到最终收敛极值的波动幅值，参数w能够影响到整个系统搜索极值的快慢；
[0020]
步骤6：将输入电流估计值与扰动信号相乘后的信号进行滤波，滤去高次谐波，其中低通滤波器的传递函数如下式所示，然后转到步骤7；
[0021][0022]
其中，w
l
为低通滤波器的截至频率，在参数设置时要小于w；
[0023]
步骤7：在经过步骤4至步骤6的处理后，能够得到输入电流信号iin的梯度估计信息，然后将该信号通过优化器，也就是对信号进行比例积分，能够得到当前极值点的估计坐标。优化器的传递函数如下式所示，然后转到步骤8；
[0024][0025]
其中k为优化器的比例参数，越大时，收敛到极值的速度越快。
[0026]
步骤8：对估计得到的极值坐标引入误差，误差扰动与步骤5表达式相同。然后将叠加扰动的da估计输入到变换器中,变换器在新的da下会处于新的稳定状态。新状态下对应新的运行效率，也对应着新的输入电流iin，然后将新的输入电流信号转至步骤1，开启新一轮的迭代。直到寻优到变换器da与输入电流iin之间的极值点结束，此时变换器位于效率极大值点，完成效率寻优的目的；
[0027]
进一步地，四开关buck-boost变换器工作于一种左右桥臂开关时刻相同的工作模式，即da、db控制的pwm方波va、vb的起始时刻相同，此时变换器工作模态存在着三种。
[0028]
进一步地，本发明提出将带相位偏移的基于扰动极值搜索应用于三模态四开关buck-boost模型进行最优开关占空比组合的寻优，利用pi控制器调节右相桥臂的占空比db,基于扰动的极值搜索的控制变量为左桥臂的占空比da输出变量为四开关buck-boost模
型的输入电流iin。通过上述pi控制器和极值搜索模型能够在控制输出功率恒定的前提下寻优输入电流的极值，使变换器的变换功率处于极值状态。
[0029]
进一步地，上述带相位偏移的基于扰动极值搜索算法的各个部分的参数设置存在着下述关系：整个控制系统分为三个部分，一个是四开关buck-boost变换器部分、一个是正弦扰动信号部分以及输出信号滤波器部分。三个部分的时间尺度满足依次变慢的规律，正是三个时间尺度的分离保证了极值搜索的稳定性。算法设置参数总结如下，其中，w、δ为较小的正常数，wh、w
l
、k为w*δ同阶正系数。
[0030]
wh＝o(w*δ)
[0031]wl
＝o(w*δ)
[0032]
k＝o(w*δ)
[0033]
进一步地，上述四开关buck-boost变换器的拓扑结构包括下述装置:电感(l)、输入稳压电容(c1)、输出稳压电容(c2)、四个mosfet开关管(s1、s2、s3、s4)、输出电阻(r)、输入电源(v
in
)；四个mosfet组成了一个全桥后通过电感并联，两个半桥的下端与电源负极相连，输出电容c2与输出电阻并联。
[0034]
进一步地，该算法是基于变换器的输出电压恒定下进行的，通过pi调节使输出电压恒定，那么输出功率恒定。
[0035]
进一步地，本发明通过三角波比较的方法生成控制pwm波，所以可通过控制比较上限值来控制da的值。
[0036]
综上所述，在采用了上述技术方案后，本发明取得的有益效果如下：
[0037]
本发明基于四开关buck-boost开关模型提出了带相位偏移的扰动极值算法结合pi控制器调整da、db以及三个变量，实现了一种变换器以起始时刻相同三模式下的效率寻优。由于该工作模式下的特征，该问题转化为调节da求得输入功率的最小值，也就是输入电流iin的最小值。成功的将三个变量问题减少到单变量极值问题。基于该问题，采用了一种优化后的基于扰动的极值搜索算法来寻优最优da值，并且通过pi调节db使输出功率恒定，而值由该工作模式下的计算得到。
[0038]
本发明发现了一种工作模式下，占空比与变换器效率之间的关系。并运用改进后的经典极值搜索算法寻找iin的极小值点，该算法具有速度快，步长自适应调节的特点，能够有效寻优到buck-boost变换器运行效率最高点。
附图说明
[0039]
图1为四开关buck-boost变换器的结构示意图。
[0040]
图2为四开关buck-boost变换器的输出电压小于输入电压工作模态图。
[0041]
图3为四开关buck-boost变换器的输出电压大于输入电压工作模态图。
[0042]
图4为带相位偏移的扰动极值搜索算法的流程图。
[0043]
图5为极值搜索算法的算法框架。
[0044]
图6为va、vb都开通时的导通状态。
[0045]
图7为va关断，vb开通时的电路导通状态。
[0046]
图8为va导通，vb关断时的电路导通状态。
[0047]
图9为va、vb都关断时的电路导通状态。
[0048]
图10为10v输入，输出恒定在4v，输出负载为4ω时的极值算法搜索下的da控制上限和输入电流iin。
[0049]
图11为10v输入，输出恒定在4v，输出负载为4ω时的通过pi调节的输出电压vo。
具体实施方式
[0050]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于该领域的技术人员更好的理解本发明。
[0051]
buck-boost变换器的拓扑结构如图1所示，包括下述装置:电感(l)、输入稳压电容(c1)、输出稳压电容(c2)、四个mosfet开关管(s1、s2、s3、s4)、输出电阻(r)、输入电源(v
in
)；
[0052]
图2描述了本发明提出变换器输出电压小于输入电压时的运行模式，如图中所示。此时输出电压小于输入电压，va、vb的控制脉冲导通时刻相同。当s1、s4导通时，电感电流上升，此时电路状态如图6所示，当s1关断，s4开通时，电感电流下降，此时电路状态如图7所示。当s1、s4都关断时，电感电流保持不变，此时电路状态如图9所示。
[0053]
图3描述了本发明提出变换器输出电压大于输入电压时的运行模式，如图中所示。此时输出电压大于输入电压，va、vb的控制脉冲导通时刻相同。当s1、s4导通时，电感和电源对输出负载充电，电感电流下降，此时电路状态如图6所示，当s1导通，s4关断时，电源对电感充电，电感电流上升，此时电路状态如图8所示。当s1、s4都关断时，电感电流保持不变，此时电路状态如图9所示。
[0054]
图10描述了10v输入，输出恒定至4v，输出负载ro＝4ω时的算法控制da与输入电流iin。从图10中可以看到随着da的不断调整，其输入电流i
in
不断下降。输入电流最小值为0.43a，da为1.78/2＝0.89左右。可以看到算法快速根据梯度值进行调节，并收敛到最小电流值。其效率从初始80％左右有效提高到了93％。
[0055]
图11为图11为输出电压vo的波形，可以看出当四开关buck-boost变换器运行于图9运行条件下极值搜索算法调节da时，通过pi控制器能够调节db使输出电压恒定。可以看到输出电压恒定在4v，误差在0.05v内，所以在该前提下极值搜索算法寻优输入电流极小值能使变换器运行效率最高。

技术特征：
1.一种基于四开关buck-boost带相位补偿的扰动效率极值搜索控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设置一个初始da值输入到四开关buck-boost变换器中控制a相桥臂，然后进入步骤2；步骤2：采样输入电流信号iin，然后进入步骤3；步骤3：将采样得到的输入电流信号iin进行相位偏移，输入电流信号iin是通过下式传递函数进行相位偏移的操作，然后进入步骤4；其中，式中ρ为相位偏移的阶数，当ρ＝1时单相位偏移最大能够补偿0.5π的位移。k
w
、t为相位偏移的参数，这两个参数在相位补偿上具有重要作用。两参数设置与扰动信号频率w以及滤波器截止频率w
l
相关，如下式所示；k
w
＝k*w步骤4：将进行了相位偏移的输入电流信号进行滤波，滤波器目的为滤去高次谐波，滤波器表达式下式所示，然后转到步骤五；其中，滤波器的截止频率为w
h
，经过上述滤波器后得到了变换器输入电流iin的估计值；步骤5：对输入电流信号iin的估计值与正弦扰动信号相乘，扰动信号的表达式如下式所示，然后转到步骤6；α*sin(wt)其中，扰动信号参数为幅值系数α和信号频率w为正弦扰动信号参数，参数α大小会影响到最终收敛极值的波动幅值，参数w能够影响到整个系统搜索极值的快慢；步骤6：将输入电流估计值与扰动信号相乘后的信号进行滤波，滤去高次谐波，其中低通滤波器的传递函数如下式所示，然后转到步骤7；其中，w
l
为低通滤波器的截至频率，在参数设置时要小于扰动信号频率w；步骤7：在经过步骤4至步骤6的处理后，能够得到输入电流信号iin的梯度估计信息，然后将该信号通过优化器，也就是对信号进行比例积分，能够得到当前极值点的估计坐标。优化器的传递函数如下式所示，然后转到步骤8；其中，k为优化器的比例参数，越大时，收敛到极值的速度越快。步骤8：对估计得到的极值坐标引入误差，误差扰动与步骤5表达式相同。然后将叠加扰动的da估计输入到变换器中,变换器在新的da下会处于新的稳定状态。新状态下对应新的运行效率，也对应着新的输入电流iin，然后将新的输入电流信号转至步骤1，开启新一轮的
迭代。直到寻优到变换器da与输入电流iin之间的极值点结束，此时变换器位于效率极大值点，完成效率寻优的目的。2.如权利要求1所述的四开关buck-boost变换器，其特征在于，四开关buck-boost变换器工作于一种左右桥臂开关时刻相同的工作模式，即da、db控制的pwm方波va、vb的起始时刻相同，此时变换器工作模态存在着三种。3.如权利要求1所述的带相位偏移的基于扰动效率极值搜索控制方法，其特征在于，本发明将带相位偏移的基于扰动极值搜索应用于三模态四开关buck-boost模型进行最优开关占空比组合的寻优，利用pi控制器调节右相桥臂的占空比db,基于扰动的极值搜索的控制变量为左桥臂的占空比da，输出变量为四开关buck-boost模型的输入电流iin。通过上述pi控制器和极值搜索模型能够在控制输出功率恒定的前提下寻优输入电流的极值，使变换器的变换功率处于极值状态。4.如权利要求3所述的带相位偏移的基于扰动效率极值搜索控制方法，其特征在于，算法的各个部分的参数设置存在着下述关系：整个控制系统分为三个部分，一个是四开关buck-boost变换器部分、一个是正弦扰动信号部分以及输出信号滤波器部分。三个部分的时间尺度满足依次变慢的规律，正是三个时间尺度的分离保证了极值搜索的稳定性。算法设置参数总结如下，其中，w、δ为较小的正常数，w
h
、w
l
、k为w*δ同阶系数。w
h
＝o(w*δ)w
l
＝o(w*δ)k＝o(w*δ)5.如权利要求1所述的带相位偏移的基于扰动效率极值搜索控制方法，其特征在于，上述buck-boost变换器的拓扑结构包括下述装置:电感(l)、输入稳压电容(c1)、输出稳压电容(c2)、四个mosfet开关管(s1、s2、s3、s4)、输出电阻(r)、输入电源(v
in
)；四个mosfet管组合成全桥后通过电感并联，两个半桥的下端与电源负极相连，输出电容c2与输出电阻并联。6.如权利要求1所述的带相位偏移的基于扰动效率极值搜索控制方法，其特征在于，该算法是基于变换器的输出电压恒定下进行的，通过pi调节使输出电压恒定，那么输出功率恒定。7.如权利要求1所述的带相位偏移的基于扰动效率极值搜索控制方法，其特征在于，本发明通过三角波比较的方法生成控制pwm波，所以可通过控制比较上限值来控制da的值。8.如权利要求1所述的带相位偏移的基于扰动效率极值搜索控制方法，其特征在于，本发明基于四开关buck-boost开关模型提出了带相位偏移的扰动极值算法结合pi控制器调整da、db以及三个变量，实现了一种变换器以起始时刻相同下的效率寻优。由于该工作模式下的特征，该问题转化为调节da求得输入功率的最小值，也就是输入电流iin的最小值。成功的将三个变量问题减少到单变量极值问题。基于该问题，采用了一种优化后的基于扰动的极值搜索算法来寻优最优da值，并且通过pi调节db使输出功率恒定，而值由该工作模式下的计算得到。此外，本发明发现了一种工作模式下，占空比与变换器效率之间的关系。并运用改进后的经典极值搜索算法寻找iin的极小值点，该算法具有速度快，步长自适应调节的特点，能够有效寻优到四开关buck-boost变换器运行效率最高点。

技术总结
本发明提供了一种基于四开关Buck-Boost变换器带相位补偿的扰动效率极值搜索方法及Buck-Boost变换器装置，属于电力电子领域。提出了将带相位补偿的扰动效率极值搜索和PI控制结合去调节四开关Buck-Boost变换器两桥臂的占空比Da、Db以及控制脉冲相位差三个变量。本发明发现了变换器处于三模态运行时占空比与变换器效率之间的关系。并运用改进后的极值搜索算法寻找输入电流的极小值点，发现该算法具有速度快，步长自适应调节的特点，能够有效寻优到四开关Buck-Boost变换器运行效率极大值点。大值点。大值点。


技术研发人员：陈章勇 唐璇 郑展超 吴云峰 陈勇 向天雨 罗志杰
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/7/20