双输入直流变换器的建模与闭环系统设计

1 引言

化石能源是不可再生能源，正在日益减少而终将枯竭，同时由于它的大量使用所造成的环境污染问题日益严重。为了人类的可持续发展，人们正在致力于寻找新的替代能源。可再生能源具有廉价、可靠、清洁无污染、可永续利用等优点受到广泛的关注，可再生能源发电作为其一种利用形式具有良好的发展前景。目前，应用较多的有光伏发电、风力发电、水力发电、地热发电等，但均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺点，因此需要

[1]采用多种能源联合供电系统。

在传统的新能源联合供电系统中，每种能源形式通常需要一个DC-DC变换器，将各种能

[2]源变成直流输出，并联在公共的直流母线上，结构较复杂，且成本较高。为了简化电路结

构，降低系统成本，可以用一个多输入直流变换器(Multiple-Input Converter，MIC)来代替多个单输入直流变换器。MIC是一种将多个输入源联合起来向单个负载供电的变换器。它允许多种能源输入，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以不同；并且多种输入源既可以同时向负载供电，也可以单独向负载供电，因此MIC存在多种工作模式。近年来，在

[3-10]MIC的电路拓扑和能量管理策略等方面已开展了大量研究工作。

由于存在多个输入源，MIC的能量管理策略是需要保证输出电压的稳定和实现输入功率的分配，其控制系统将由多个闭环共同组成。并且，当多个输入源同时向负载供电时，它是一个典型的多输入-多输出的耦合系统，因此其闭环系统设计比较复杂。文献[11]基于双输入分时Buck变换器建立了系统的小信号数学模型，通过分析系统的闭环传递函数矩阵，给出了系统的稳定性判据。但是对于这样的一个耦合控制系统，文献中并没有提及闭环调节器是如何设计的。文献[12]介绍了一种带电流解耦控制的双输入双向变换器。其控制系统由两个输入电流内环和一个输出电压外环组成。为了实现两个电流内环的解耦，系统中增加了解耦矩阵，这样可以独立的设计两个电流内环调节器。但是文献中没有提及两个输入电流的分配策略以及输出电压外环调节器的设计方法。

本文将以双输入Buck变换器为例，采用一个输入电流闭环和一个输出电压闭环组成控制系统，针对电路的三种工作模式，分别建立了系统的小信号数学模型，在此基础上，将提出一种输入电流闭环和输出电压闭环调节器的设计方法，采用这种方法设计的闭环调节器能够使系统在三种工作模式下均有较好的稳定性和快速性。最后通过一个400W的原理样机验证了该闭环设计的有效性。

2 双输入Buck变换器的工作原理

2.1 工作原理

图1给出了双输入Buck直流变换器的电路图，它是由Buck三电平直流变换器推导而来，其中Vin1和Vin2分别是1#、2#输入源电压，Q1、Q2为开关管，D1、D2为续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，RLd是负载。该变换器的工作原理详见文献[14]。 [13]