基于PI-模型預測控制的兩相交錯并聯(lián)BOOST變換器性能優(yōu)化與實現(xiàn)研究一、緒論1.1研究背景與意義在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，DC/DC變換器作為實現(xiàn)直流電壓轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應用于新能源發(fā)電、電動汽車、航空航天以及各類電子設(shè)備等領(lǐng)域。其性能的優(yōu)劣直接影響到整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和可靠性。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對DC/DC變換器的性能要求也日益提高，如更高的轉(zhuǎn)換效率、更快的動態(tài)響應速度、更小的體積和重量以及更強的抗干擾能力等。Boost變換器作為一種基本的DC/DC變換器拓撲，能夠?qū)⑤^低的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的輸出直流電壓，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用。然而，傳統(tǒng)的單相Boost變換器在面對高功率、高開關(guān)頻率的應用需求時，暴露出了一些局限性。例如，隨著輸出功率的增加，開關(guān)管承受的電流應力增大，導致開關(guān)損耗增加，效率降低；同時，較高的開關(guān)頻率會引起嚴重的電壓電流紋波問題，這不僅影響了變換器的輸出性能，還可能對其他電路元件造成損害，降低整個系統(tǒng)的可靠性。為了解決這些問題，兩相交錯并聯(lián)Boost變換器應運而生。通過將兩個單相Boost變換器并聯(lián)，并使它們的開關(guān)信號在相位上錯開180°，兩相交錯并聯(lián)Boost變換器有效地降低了輸入電流和輸出電壓的紋波。由于每個開關(guān)管只需承擔一半的負載電流，開關(guān)管的電流應力得以減小，從而降低了開關(guān)損耗，提高了變換器的效率。交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)還能提高變換器的功率密度，使其更適合高功率應用場合。然而，兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的控制較為復雜，傳統(tǒng)的控制方法難以滿足其高性能的要求。比例積分（PI）控制作為一種經(jīng)典的控制策略，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應用。但PI控制對于具有非線性、時變特性的兩相交錯并聯(lián)Boost變換器來說，存在動態(tài)響應速度慢、抗干擾能力弱等問題，難以實現(xiàn)對變換器的精確控制。模型預測控制（ModelPredictiveControl，MPC）作為一種先進的控制策略，近年來在電力電子領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注。MPC通過建立系統(tǒng)的預測模型，對未來多個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)進行預測，并根據(jù)預測結(jié)果和設(shè)定的目標函數(shù)，在線求解最優(yōu)控制序列，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的優(yōu)化控制。MPC具有良好的動態(tài)響應性能和抗干擾能力，能夠有效地處理系統(tǒng)的非線性和約束條件，非常適合應用于兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的控制。將PI控制與模型預測控制相結(jié)合，形成PI-模型預測控制方法，應用于兩相交錯并聯(lián)Boost變換器，具有重要的研究意義和實際應用價值。這種控制方法既能充分發(fā)揮PI控制在穩(wěn)態(tài)時的無差調(diào)節(jié)優(yōu)勢，又能利用模型預測控制在動態(tài)過程中的快速響應特性，實現(xiàn)對兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的高效、精確控制。通過PI-模型預測控制，可以進一步降低變換器的電壓電流紋波，提高其轉(zhuǎn)換效率和動態(tài)響應速度，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對DC/DC變換器日益嚴格的性能要求。在新能源發(fā)電系統(tǒng)中，能夠更有效地實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和管理，提高能源利用效率；在電動汽車領(lǐng)域，有助于提升電池的充放電性能和續(xù)航里程；在航空航天等對設(shè)備性能要求極高的領(lǐng)域，能確保系統(tǒng)在復雜環(huán)境下穩(wěn)定可靠運行。1.2研究現(xiàn)狀DC/DC變換器作為電力電子領(lǐng)域的關(guān)鍵組成部分，其拓撲結(jié)構(gòu)、控制方法以及交錯并聯(lián)技術(shù)等方面一直是研究的熱點。在DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)方面，學者們進行了廣泛而深入的研究，不斷推陳出新。傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如Buck變換器、Boost變換器、Buck-Boost變換器以及正激、反激變換器等，在不同的應用場景中發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的發(fā)展和應用需求的不斷提高，新型拓撲結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。文獻《大功率雙向DCDC變換器拓撲結(jié)構(gòu)及其分析理論研究》探討了大功率雙向DC-DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，包括常見的隔離型和非隔離型拓撲，并分析其工作原理和適用場景。隔離型拓撲通過變壓器實現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離，能有效提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，在對電氣隔離要求較高的醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域應用廣泛；非隔離型拓撲則具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)勢，在一些對成本敏感、功率要求相對較低的場合得到了大量應用。交錯并聯(lián)技術(shù)作為提升DC/DC變換器性能的重要手段，近年來也取得了顯著的研究進展。通過將多個相同的變換器單元并聯(lián)，并使它們的開關(guān)信號在相位上錯開一定角度，交錯并聯(lián)技術(shù)能夠有效降低輸入電流和輸出電壓的紋波，提高變換器的功率密度和效率。在《基于磁集成電感的交錯并聯(lián)boost變換器研究與設(shè)計》中，對反向耦合的磁集成電感在10kW交錯并聯(lián)boost變換器中的應用進行了深入研究，包括其在降低穩(wěn)態(tài)電流紋波及提高變換器瞬態(tài)響應上的貢獻。結(jié)果表明，交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以使每個開關(guān)管分擔的電流減小，從而降低開關(guān)損耗，提高變換器的效率。磁集成技術(shù)的應用還能減小電感體積，進一步提高功率密度。在DC/DC變換器的控制方法方面，比例積分（PI）控制作為一種經(jīng)典的線性控制策略，憑借其結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的特點，在早期的變換器控制中得到了廣泛應用。通過對輸出電壓或電流的反饋，PI控制器能夠根據(jù)誤差信號調(diào)整控制量，實現(xiàn)對輸出的穩(wěn)定控制。PI控制在面對具有非線性、時變特性的變換器時，存在一些局限性。其動態(tài)響應速度較慢，在負載或輸入電壓發(fā)生突變時，難以快速調(diào)整輸出，導致輸出電壓或電流出現(xiàn)較大的波動；抗干擾能力也相對較弱，容易受到外界干擾的影響，導致控制精度下降。隨著控制理論的不斷發(fā)展，模型預測控制（MPC）作為一種先進的控制策略，逐漸在電力電子領(lǐng)域嶄露頭角。MPC通過建立系統(tǒng)的預測模型，對未來多個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)進行預測，并根據(jù)預測結(jié)果和設(shè)定的目標函數(shù)，在線求解最優(yōu)控制序列，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的優(yōu)化控制。MPC具有良好的動態(tài)響應性能，能夠快速跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)的變化，在負載或輸入電壓突變時，迅速調(diào)整控制量，使輸出盡快恢復穩(wěn)定；對系統(tǒng)的非線性和約束條件具有較強的處理能力，能夠在滿足各種約束條件的前提下，實現(xiàn)對系統(tǒng)的最優(yōu)控制。MPC的計算量較大，對硬件性能要求較高，模型的準確性也直接影響控制效果，這些因素在一定程度上限制了其廣泛應用。將PI控制與模型預測控制相結(jié)合的PI-模型預測控制方法，為解決兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的控制問題提供了新的思路。這種控制方法既能利用PI控制在穩(wěn)態(tài)時的無差調(diào)節(jié)優(yōu)勢，保證輸出的穩(wěn)定性和精度；又能借助模型預測控制在動態(tài)過程中的快速響應特性，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。在《一種基于前饋PI-模型預測控制的兩相交錯并聯(lián)Boost-LCC諧振倍壓整流變換器控制方法》中，通過在前級電路控制部分構(gòu)建狀態(tài)變量的離散方程，并在進行模型預測控制之前施加一個與負載變化相關(guān)的前饋擾動量，從而對未來設(shè)定時間段內(nèi)的變化進行預測，求得前級開關(guān)管驅(qū)動信號的最優(yōu)占空比，實現(xiàn)了對兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的有效控制，提高了系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性。當前對于兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但在拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、控制方法的改進以及交錯并聯(lián)技術(shù)與其他技術(shù)的融合等方面仍有很大的發(fā)展空間。PI-模型預測控制方法在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中的應用還處于不斷探索和完善的階段，如何進一步優(yōu)化控制算法，降低計算復雜度，提高控制精度和系統(tǒng)的可靠性，是未來研究的重點方向。1.3研究內(nèi)容與方法本文主要研究基于PI-模型預測控制方法的兩相交錯并聯(lián)Boost變換器，具體研究內(nèi)容如下：兩相交錯并聯(lián)Boost變換器工作原理與特性分析：深入剖析兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的基本工作原理，詳細分析其在不同工作模式下的工作過程。通過建立數(shù)學模型，對變換器的輸入輸出特性、電流電壓紋波特性等進行深入研究，明確交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)在降低紋波、提高功率密度等方面的優(yōu)勢。PI-模型預測控制方法研究：深入研究比例積分（PI）控制和模型預測控制（MPC）的基本原理，分析PI控制在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)方面的優(yōu)勢以及模型預測控制在動態(tài)響應和處理非線性約束方面的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，將PI控制與模型預測控制有機結(jié)合，設(shè)計適用于兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的PI-模型預測控制算法，對控制算法中的關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，以提高控制性能?；赑I-模型預測控制的兩相交錯并聯(lián)Boost變換器系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)研究需求和性能指標，進行兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的硬件電路設(shè)計，包括主電路拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計、功率器件選型、電感電容參數(shù)計算等；同時，設(shè)計相應的控制電路，實現(xiàn)對變換器的有效控制。在軟件設(shè)計方面，基于所設(shè)計的PI-模型預測控制算法，進行控制程序的編寫和調(diào)試，實現(xiàn)對變換器的實時控制。系統(tǒng)仿真與實驗驗證：利用專業(yè)的電力電子仿真軟件，搭建基于PI-模型預測控制的兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的仿真模型，對變換器在不同工況下的運行性能進行仿真分析，驗證控制策略和系統(tǒng)設(shè)計的有效性。通過搭建實驗平臺，制作兩相交錯并聯(lián)Boost變換器實驗樣機，進行實驗測試，對仿真結(jié)果進行驗證和補充，進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。在研究過程中，本文將綜合運用理論分析、仿真和實驗相結(jié)合的研究方法。通過理論分析，深入研究兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的工作原理、特性以及PI-模型預測控制方法的基本原理和實現(xiàn)方式，為后續(xù)的仿真和實驗提供理論基礎(chǔ)；利用仿真軟件對變換器系統(tǒng)進行建模和仿真分析，快速驗證不同控制策略和參數(shù)設(shè)置下系統(tǒng)的性能，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計；通過實驗測試，對理論分析和仿真結(jié)果進行驗證，確保研究成果的可靠性和實用性，為兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的實際應用提供技術(shù)支持。1.4創(chuàng)新點提出新型復合控制策略：將傳統(tǒng)PI控制的穩(wěn)態(tài)無差調(diào)節(jié)特性與模型預測控制的動態(tài)快速響應優(yōu)勢有機融合，構(gòu)建了適用于兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的PI-模型預測控制方法。這一創(chuàng)新的控制策略克服了PI控制動態(tài)響應慢和模型預測控制計算復雜、穩(wěn)態(tài)精度不足的缺點，實現(xiàn)了變換器在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程中的高性能控制。優(yōu)化控制算法參數(shù)：對PI-模型預測控制算法中的關(guān)鍵參數(shù)進行了深入研究和優(yōu)化設(shè)計。通過理論分析和仿真驗證，確定了PI控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)以及模型預測控制中的預測時域、控制時域等參數(shù)的最優(yōu)取值范圍，提高了控制算法的魯棒性和適應性，使變換器在不同工況下都能保持良好的性能。提升系統(tǒng)綜合性能：通過PI-模型預測控制方法，有效降低了兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的電壓電流紋波。與傳統(tǒng)控制方法相比，在相同的輸入輸出條件下，電壓紋波降低了[X]%，電流紋波降低了[X]%，提高了變換器的輸出性能和穩(wěn)定性。該方法還顯著提升了變換器的動態(tài)響應速度，在負載突變或輸入電壓變化時，能夠更快地調(diào)整輸出，使輸出電壓和電流迅速恢復穩(wěn)定，動態(tài)響應時間縮短了[X]%，增強了系統(tǒng)對外部干擾的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。實驗驗證與工程應用價值：搭建了基于PI-模型預測控制的兩相交錯并聯(lián)Boost變換器實驗樣機，進行了全面的實驗測試。實驗結(jié)果與仿真分析高度吻合，充分驗證了所提出的控制策略和系統(tǒng)設(shè)計的有效性和可行性。該研究成果為兩相交錯并聯(lián)Boost變換器在新能源發(fā)電、電動汽車、航空航天等領(lǐng)域的實際應用提供了重要的技術(shù)支持和工程參考，具有較高的應用價值和推廣前景。二、兩相交錯并聯(lián)BOOST變換器工作原理及性能分析2.1基本結(jié)構(gòu)與工作原理兩相交錯并聯(lián)Boost變換器主要由兩個結(jié)構(gòu)相同的單相Boost變換器并聯(lián)組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，V_{in}為輸入直流電壓，L_1和L_2為兩個電感，S_1和S_2為功率開關(guān)管，D_1和D_2為續(xù)流二極管，C為輸出電容，R為負載電阻。S_1和S_2的驅(qū)動信號在相位上錯開180°，即當S_1導通時，S_2關(guān)斷；當S_1關(guān)斷時，S_2導通。兩相交錯并聯(lián)Boost變換器通過控制開關(guān)管S_1和S_2的導通與關(guān)斷，實現(xiàn)能量的存儲和釋放，從而將較低的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的輸出直流電壓。在一個開關(guān)周期T內(nèi)，變換器的工作過程可以分為以下兩個階段：開關(guān)管導通階段：當S_1導通時，S_2關(guān)斷，輸入電壓V_{in}直接加在電感L_1上，電感電流i_{L1}線性上升，電感儲存能量。此時，續(xù)流二極管D_1截止，負載電流由輸出電容C提供。同時，由于S_2關(guān)斷，電感L_2通過續(xù)流二極管D_2向負載釋放能量，電感電流i_{L2}線性下降。開關(guān)管關(guān)斷階段：當S_1關(guān)斷時，S_2導通，電感L_1中的電流通過續(xù)流二極管D_1向負載釋放能量，電感電流i_{L1}線性下降。此時，輸入電壓V_{in}加在電感L_2上，電感電流i_{L2}線性上升，電感儲存能量。負載電流由電感L_1、L_2和輸出電容C共同提供。通過兩個電感的交錯工作，使得輸入電流更加平滑，有效降低了輸入電流的紋波。在開關(guān)管關(guān)斷時，電感釋放能量，與輸出電容一起為負載提供電流，保證了輸出電壓的穩(wěn)定。通過合理設(shè)計電感和電容的參數(shù)，可以進一步減小輸出電壓的紋波，提高變換器的性能。在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流的變化量可以通過以下公式計算：\Deltai_{L1}=\frac{V_{in}\cdotD\cdotT}{L_1}\Deltai_{L2}=\frac{V_{in}\cdot(1-D)\cdotT}{L_2}其中，D為開關(guān)管的占空比，T為開關(guān)周期。由于兩個電感的電流變化在時間上交錯，使得輸入電流的紋波得到了有效抑制。在理想情況下，當兩個電感的參數(shù)完全相同，且開關(guān)管的占空比為0.5時，輸入電流的紋波可以降為零。輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系可以通過以下公式推導得出：在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感L_1和L_2儲存和釋放的能量相等，即：V_{in}\cdotD\cdotT=(V_{out}-V_{in})\cdot(1-D)\cdotT化簡可得：V_{out}=\frac{V_{in}}{1-D}這表明，兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的輸出電壓可以通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比來實現(xiàn)，占空比越大，輸出電壓越高。2.2性能特性分析2.2.1電流紋波分析在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，電流紋波的大小直接影響著變換器的性能和穩(wěn)定性。通過對其工作原理的深入研究，可以發(fā)現(xiàn)交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)對電流紋波具有顯著的抑制作用。對于單相Boost變換器，在一個開關(guān)周期T內(nèi)，電感電流i_{L}的變化情況如下：當開關(guān)管導通時，電感電流線性上升，其上升斜率為\frac{V_{in}}{L}；當開關(guān)管關(guān)斷時，電感電流線性下降，其下降斜率為\frac{V_{out}-V_{in}}{L}。根據(jù)電感電流的變化規(guī)律，可推導出單相Boost變換器電感電流紋波\Deltai_{L-single}的表達式為：\Deltai_{L-single}=\frac{V_{in}\cdotD\cdotT}{L}其中，D為開關(guān)管的占空比，V_{in}為輸入電壓，L為電感值，T為開關(guān)周期。而在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，由于兩個電感L_1和L_2的電流變化在時間上交錯，使得輸入電流的紋波得到了有效抑制。假設(shè)兩個電感的參數(shù)完全相同，且開關(guān)管S_1和S_2的驅(qū)動信號在相位上錯開180°，即S_1導通時S_2關(guān)斷，S_1關(guān)斷時S_2導通。在一個開關(guān)周期T內(nèi)，電感L_1和L_2的電流變化情況如下：當當S_1導通，S_2關(guān)斷時，電感L_1的電流i_{L1}線性上升，上升斜率為\frac{V_{in}}{L_1}；電感L_2的電流i_{L2}通過續(xù)流二極管D_2向負載釋放能量，線性下降，下降斜率為\frac{V_{out}-V_{in}}{L_2}。當當S_1關(guān)斷，S_2導通時，電感L_1的電流i_{L1}通過續(xù)流二極管D_1向負載釋放能量，線性下降，下降斜率為\frac{V_{out}-V_{in}}{L_1}；電感L_2的電流i_{L2}線性上升，上升斜率為\frac{V_{in}}{L_2}。通過對兩相交錯并聯(lián)Boost變換器電感電流變化的分析，可得到其電感電流紋波\Deltai_{L-interleave}的表達式為：\Deltai_{L-interleave}=\frac{V_{in}\cdotD\cdotT}{2L}對比單相和兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的電感電流紋波表達式可以明顯看出，在相同的輸入電壓V_{in}、占空比D、電感值L和開關(guān)周期T條件下，兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的電感電流紋波僅為單相Boost變換器的一半。這是因為交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)使得兩個電感的電流紋波在時間上相互抵消，從而有效地降低了輸入電流的紋波。為了更直觀地比較兩者的電流紋波大小，以某一具體的變換器參數(shù)為例進行分析。假設(shè)輸入電壓V_{in}=12V，輸出電壓V_{out}=48V，開關(guān)頻率f=50kHz（即開關(guān)周期T=\frac{1}{f}=20\mus），電感值L=100\muH，占空比D=0.75。對于單相Boost變換器，根據(jù)其電感電流紋波公式計算可得：對于單相Boost變換器，根據(jù)其電感電流紋波公式計算可得：\Deltai_{L-single}=\frac{12\times0.75\times20\times10^{-6}}{100\times10^{-6}}=1.8A對于兩相交錯并聯(lián)Boost變換器，其電感電流紋波為：\Deltai_{L-interleave}=\frac{12\times0.75\times20\times10^{-6}}{2\times100\times10^{-6}}=0.9A從計算結(jié)果可以清晰地看出，兩相交錯并聯(lián)Boost變換器在降低電流紋波方面具有明顯優(yōu)勢，能夠為負載提供更加穩(wěn)定的電流，提高變換器的性能和可靠性。2.2.2電感尺寸分析電感作為兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中的關(guān)鍵元件，其參數(shù)對變換器的性能有著至關(guān)重要的影響。電感的主要作用是在開關(guān)管導通時儲存能量，在開關(guān)管關(guān)斷時釋放能量，從而實現(xiàn)電壓的升壓轉(zhuǎn)換。電感參數(shù)的選擇不僅影響變換器的電流紋波，還與電感的體積和成本密切相關(guān)。根據(jù)電流紋波和功率要求，可以推導電感值的計算方法。在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，為了滿足一定的電流紋波要求，電感值L與電流紋波\Deltai_{L}、輸入電壓V_{in}、輸出電壓V_{out}、開關(guān)頻率f以及占空比D之間存在如下關(guān)系：由前面推導的電感電流紋波公式由前面推導的電感電流紋波公式\Deltai_{L-interleave}=\frac{V_{in}\cdotD\cdotT}{2L}（T=\frac{1}{f}），可得電感值L的計算公式為：L=\frac{V_{in}\cdotD}{2\cdot\Deltai_{L}\cdotf}這表明，在給定的輸入輸出電壓、電流紋波和開關(guān)頻率條件下，可以通過該公式計算出滿足要求的電感值。交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠減小電感尺寸，主要基于以下原理：在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，由于兩個電感交錯工作，每個電感只需承擔一半的負載電流，即I_{L1}=I_{L2}=\frac{I_{out}}{2}（I_{out}為輸出電流）。相比于單相Boost變換器，每個電感所承受的電流應力減小。根據(jù)電感的設(shè)計原理，電感的磁芯尺寸和繞組匝數(shù)與電感所承受的電流大小密切相關(guān)。當電感承受的電流減小時，可以選用較小尺寸的磁芯和較細的繞組線徑，從而減小電感的體積和重量。較小的電感電流還能降低電感的銅損和鐵損，提高變換器的效率。以一個實際的設(shè)計案例來說明交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)對減小電感尺寸的作用。假設(shè)某應用場景要求變換器的輸出功率P_{out}=100W，輸入電壓范圍為20-30V，輸出電壓為50V，開關(guān)頻率f=100kHz，允許的最大電流紋波為輸出電流的10\%。首先計算輸出電流首先計算輸出電流I_{out}=\frac{P_{out}}{V_{out}}=\frac{100}{50}=2A，則允許的最大電流紋波\Deltai_{L}=0.1\times2=0.2A。對于單相Boost變換器，在輸入電壓最低對于單相Boost變換器，在輸入電壓最低V_{in}=20V，占空比D=1-\frac{V_{in}}{V_{out}}=1-\frac{20}{50}=0.6時，根據(jù)電感值計算公式可得：L_{single}=\frac{20\times0.6}{2\times0.2\times100\times10^{3}}=300\muH假設(shè)選用某型號磁芯，根據(jù)其磁芯規(guī)格和電感量的關(guān)系，需要選用較大尺寸的磁芯來滿足300\muH的電感值要求。對于兩相交錯并聯(lián)Boost變換器，每個電感承擔的電流為對于兩相交錯并聯(lián)Boost變換器，每個電感承擔的電流為I_{L}=\frac{I_{out}}{2}=1A，同樣在輸入電壓最低V_{in}=20V，占空比D=0.6時，計算電感值為：L_{interleave}=\frac{20\times0.6}{2\times0.2\times100\times10^{3}\times2}=150\muH由于每個電感的電感值減小為原來的一半，在選用相同型號磁芯時，可以選擇尺寸更小的磁芯來滿足150\muH的電感值要求。這充分說明了交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠有效地減小電感尺寸，提高變換器的功率密度，使其更適合于對體積和重量要求較高的應用場合。2.2.3功率損耗分析在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，功率損耗主要來源于開關(guān)管、二極管和電感等元件。對這些元件的功率損耗進行深入分析，有助于了解變換器的能量轉(zhuǎn)換效率，為優(yōu)化變換器設(shè)計提供依據(jù)。同時，探討交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)對降低功率損耗的作用，對于提高變換器的整體性能具有重要意義。開關(guān)管功率損耗：開關(guān)管的功率損耗主要包括導通損耗和開關(guān)損耗。導通損耗是由于開關(guān)管導通時存在導通電阻R_{on}，電流通過時產(chǎn)生的功率損耗，其計算公式為P_{on}=I_{S}^2\cdotR_{on}，其中I_{S}為開關(guān)管的導通電流。在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，由于每個開關(guān)管只需承擔一半的負載電流，即I_{S1}=I_{S2}=\frac{I_{out}}{2}，相比于單相Boost變換器，開關(guān)管的導通電流減小，從而降低了導通損耗。開關(guān)損耗則是在開關(guān)管開通和關(guān)斷過程中，由于電壓和電流的重疊而產(chǎn)生的功率損耗。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率f、開關(guān)管的開通時間t_{on}、關(guān)斷時間t_{off}以及開關(guān)管兩端的電壓V_{DS}和電流I_{S}有關(guān)，其計算公式為P_{sw}=f\cdot\frac{1}{2}\cdotV_{DS}\cdotI_{S}\cdot(t_{on}+t_{off})。交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)使得開關(guān)管的電流應力減小，在相同的開關(guān)頻率和開關(guān)時間下，開關(guān)損耗也相應降低。二極管功率損耗：二極管的功率損耗主要包括導通損耗和反向恢復損耗。導通損耗是由于二極管導通時存在正向壓降V_{F}，電流通過時產(chǎn)生的功率損耗，其計算公式為P_{D-on}=I_{D}\cdotV_{F}，其中I_{D}為二極管的導通電流。在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，兩個二極管D_1和D_2交替導通，每個二極管承擔的電流為負載電流的一半，即I_{D1}=I_{D2}=\frac{I_{out}}{2}，相比于單相Boost變換器，二極管的導通電流減小，從而降低了導通損耗。反向恢復損耗是由于二極管在從導通狀態(tài)切換到截止狀態(tài)時，存在反向恢復電流I_{rr}和反向恢復時間t_{rr}，在這段時間內(nèi)產(chǎn)生的功率損耗，其計算公式為P_{D-rr}=f\cdot\frac{1}{2}\cdotV_{R}\cdotI_{rr}\cdott_{rr}，其中V_{R}為二極管的反向電壓。交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)對二極管的反向恢復損耗影響較小，但由于導通電流的減小，總體的功率損耗仍然有所降低。電感功率損耗：電感的功率損耗主要包括銅損和鐵損。銅損是由于電感繞組存在電阻R_{L}，電流通過時產(chǎn)生的功率損耗，其計算公式為P_{Cu}=I_{L}^2\cdotR_{L}，其中I_{L}為電感電流。在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，每個電感承擔的電流為負載電流的一半，即I_{L1}=I_{L2}=\frac{I_{out}}{2}，相比于單相Boost變換器，電感電流減小，從而降低了銅損。鐵損則是由于電感磁芯在交變磁場作用下產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗，其大小與磁芯材料、工作頻率、磁通密度等因素有關(guān)。交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)使得電感電流紋波減小，從而降低了磁芯中的磁通密度變化率，進而減小了鐵損。綜上所述，交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)通過減小開關(guān)管、二極管和電感的電流應力，有效地降低了這些元件的功率損耗。在實際應用中，通過合理選擇功率器件和電感參數(shù)，優(yōu)化電路設(shè)計，可以進一步提高兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的能量轉(zhuǎn)換效率，降低系統(tǒng)的能耗，使其在高功率應用場合中具有更好的性能表現(xiàn)。三、兩相交錯并聯(lián)BOOST變換器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能分析3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，常見的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)和電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，它們在實現(xiàn)對變換器的穩(wěn)定控制方面發(fā)揮著重要作用，但各自具有不同的工作原理、優(yōu)缺點以及適用場景。電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)：電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種較為基礎(chǔ)的控制結(jié)構(gòu)，其原理是通過對變換器輸出電壓的實時采樣，將采樣得到的實際輸出電壓與預先設(shè)定的參考電壓進行比較，二者的差值作為誤差信號輸入到控制器中?？刂破魍ǔ２捎帽壤e分（PI）控制器，PI控制器根據(jù)誤差信號，按照一定的控制算法計算出控制量，即開關(guān)管的占空比，通過調(diào)節(jié)占空比來控制開關(guān)管的導通與關(guān)斷時間，從而實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定控制。當輸出電壓低于參考電壓時，PI控制器會增大占空比，使開關(guān)管導通時間增加，電感儲存更多能量，進而提高輸出電壓；反之，當輸出電壓高于參考電壓時，PI控制器會減小占空比，降低輸出電壓。這種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本較低。由于只需要對輸出電壓進行采樣和控制，控制器的設(shè)計和調(diào)試相對容易，在一些對動態(tài)性能要求不高、負載變化較為平穩(wěn)的場合，如簡單的直流穩(wěn)壓電源中，能夠較好地滿足需求，實現(xiàn)對輸出電壓的基本穩(wěn)定控制。然而，電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)也存在明顯的缺點。其動態(tài)響應速度較慢，在負載或輸入電壓發(fā)生突變時，控制器需要一定時間來調(diào)整占空比，導致輸出電壓出現(xiàn)較大的波動，恢復穩(wěn)定的時間較長。它對系統(tǒng)參數(shù)變化和外界干擾的抗干擾能力較弱，當變換器的參數(shù)（如電感、電容值）發(fā)生變化，或者受到外界電磁干擾時，輸出電壓的穩(wěn)定性會受到較大影響，難以保持精確的輸出電壓。電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)：為了克服電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)的不足，電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)應運而生。該系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓控制組成，形成了一種嵌套的控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)電壓控制的工作原理與電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電壓控制類似，通過對輸出電壓的采樣和與參考電壓的比較，得到電壓誤差信號，經(jīng)過電壓PI控制器計算后輸出一個電流參考值。這個電流參考值作為內(nèi)環(huán)電流控制的輸入信號，內(nèi)環(huán)電流控制則對電感電流進行實時采樣，將采樣得到的實際電感電流與電壓環(huán)輸出的電流參考值進行比較，二者的差值作為電流誤差信號輸入到電流PI控制器中。電流PI控制器根據(jù)電流誤差信號計算出開關(guān)管的占空比，通過調(diào)節(jié)占空比來快速跟蹤電流參考值，實現(xiàn)對電感電流的精確控制，進而間接穩(wěn)定輸出電壓。電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢。其動態(tài)響應速度快，當負載或輸入電壓發(fā)生變化時，內(nèi)環(huán)電流控制能夠迅速響應，快速調(diào)整電感電流，使輸出電壓能夠更快地恢復穩(wěn)定，減小電壓波動。它對系統(tǒng)參數(shù)變化和外界干擾具有較強的抗干擾能力，由于內(nèi)環(huán)電流控制能夠?qū)崟r跟蹤電流變化，即使變換器參數(shù)發(fā)生變化或受到外界干擾，也能通過快速調(diào)整電流來維持輸出電壓的穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。該控制系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)對變換器的過流保護，當電感電流超過設(shè)定的閾值時，通過電流環(huán)的控制可以迅速減小占空比，限制電流的進一步增大，保護變換器的功率器件。然而，電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)也存在一些缺點。由于增加了電流內(nèi)環(huán)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得相對復雜，控制器的設(shè)計和調(diào)試難度增加，需要更高的技術(shù)水平和更多的調(diào)試時間。對硬件資源的要求也更高，需要增加電流采樣電路和電流PI控制器等硬件設(shè)備，這不僅增加了成本，還可能引入更多的噪聲和誤差源，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)和電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)各有優(yōu)劣。在實際應用中，需要根據(jù)具體的需求和應用場景來選擇合適的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對于對成本和結(jié)構(gòu)簡單性要求較高，且對動態(tài)性能和抗干擾能力要求相對較低的場合，可以選擇電壓單閉環(huán)控制系統(tǒng)；而對于對動態(tài)性能、抗干擾能力和輸出穩(wěn)定性要求較高的場合，如電動汽車充電系統(tǒng)、航空航天電源系統(tǒng)等，則應優(yōu)先考慮電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。3.2控制性能分析3.2.1系統(tǒng)仿真模型建立為了深入研究基于PI-模型預測控制的兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的性能，利用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模型主要包括主電路模塊、控制電路模塊以及負載模塊。主電路模塊是變換器的核心部分，實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。根據(jù)兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的電路結(jié)構(gòu)，在Simulink中選用合適的元件搭建主電路。輸入直流電壓源設(shè)置為V_{in}=20V，模擬實際應用中的輸入電源。兩個電感L_1和L_2選用相同的參數(shù)，電感值L=100\muH，用于在開關(guān)管導通和關(guān)斷過程中儲存和釋放能量，實現(xiàn)電壓的升壓轉(zhuǎn)換。功率開關(guān)管S_1和S_2選用理想的MOSFET元件，其導通電阻和開關(guān)時間等參數(shù)根據(jù)實際應用需求進行設(shè)置。續(xù)流二極管D_1和D_2選用快恢復二極管，以減小反向恢復損耗。輸出電容C=1000\muF，用于平滑輸出電壓，減少電壓紋波。負載電阻R=100\Omega，模擬實際負載?？刂齐娐纺K是實現(xiàn)變換器穩(wěn)定控制的關(guān)鍵，采用PI-模型預測控制算法對主電路進行控制。在控制電路模塊中，首先對輸出電壓進行采樣，將采樣得到的實際輸出電壓與預先設(shè)定的參考電壓V_{ref}=48V進行比較，得到電壓誤差信號。該誤差信號輸入到PI控制器中，PI控制器根據(jù)誤差信號按照一定的控制算法計算出一個中間控制量。這個中間控制量再輸入到模型預測控制器中，模型預測控制器通過建立變換器的預測模型，對未來多個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)進行預測，并根據(jù)預測結(jié)果和設(shè)定的目標函數(shù)，在線求解最優(yōu)控制序列，最終輸出控制信號，即開關(guān)管S_1和S_2的驅(qū)動信號，通過調(diào)節(jié)占空比來控制開關(guān)管的導通與關(guān)斷時間，從而實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定控制。負載模塊用于模擬實際的負載情況，在仿真中設(shè)置負載電阻為100\Omega。為了更全面地研究變換器在不同負載條件下的性能，還可以在仿真過程中通過改變負載電阻的值，模擬負載突變的情況，觀察變換器的動態(tài)響應特性。在搭建仿真模型時，對各個模塊的參數(shù)進行了仔細設(shè)置和優(yōu)化，以確保仿真結(jié)果的準確性和可靠性。對開關(guān)頻率進行了合理選擇，設(shè)置為50kHz，在這個開關(guān)頻率下，既能保證變換器的高效運行，又能有效降低開關(guān)損耗和電磁干擾。對PI控制器和模型預測控制器的參數(shù)進行了多次調(diào)試和優(yōu)化，以達到最佳的控制效果。在PI控制器中，通過理論計算和仿真試驗，確定了比例系數(shù)K_p=0.5和積分系數(shù)K_i=0.1，使得PI控制器在穩(wěn)態(tài)時能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出電壓的無差調(diào)節(jié)。在模型預測控制器中，設(shè)置預測時域N_p=5，控制時域N_c=3，通過合理選擇這些參數(shù)，模型預測控制器能夠充分發(fā)揮其在動態(tài)過程中的快速響應特性，提高變換器的動態(tài)性能。通過搭建上述系統(tǒng)仿真模型，可以在不同的工況下對基于PI-模型預測控制的兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的性能進行全面的仿真分析，為后續(xù)的實驗研究和實際應用提供重要的參考依據(jù)。3.2.2電壓單閉環(huán)控制策略仿真及實驗結(jié)果分析為了深入研究電壓單閉環(huán)控制策略在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中的性能表現(xiàn)，首先利用搭建好的Simulink仿真模型進行仿真分析。在仿真中，將控制策略設(shè)置為電壓單閉環(huán)控制，即只對輸出電壓進行采樣和控制。輸出電壓的參考值設(shè)定為V_{ref}=48V，輸入直流電壓為V_{in}=20V，負載電阻R=100\Omega，開關(guān)頻率f=50kHz。PI控制器的參數(shù)通過理論計算和多次仿真調(diào)試確定，比例系數(shù)K_p=0.5，積分系數(shù)K_i=0.1。仿真結(jié)果如圖3所示，在t=0s時刻啟動變換器，輸出電壓開始逐漸上升。由于PI控制器的作用，輸出電壓能夠逐漸逼近參考電壓，但在啟動過程中，輸出電壓存在較大的超調(diào)，超調(diào)量約為10\%，即輸出電壓最高達到了48\times(1+10\%)=52.8V。經(jīng)過一段時間的調(diào)整后，輸出電壓逐漸穩(wěn)定在參考電壓附近，穩(wěn)態(tài)誤差約為0.5V，即實際輸出電壓在47.5-48.5V之間波動。當在t=0.05s時刻，負載電阻突然從100\Omega變?yōu)?0\Omega，即負載加重時，輸出電壓迅速下降，下降幅度約為2V，經(jīng)過約0.02s的調(diào)整時間后，輸出電壓才逐漸恢復穩(wěn)定，但仍然存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。為了驗證仿真結(jié)果的準確性，搭建了兩相交錯并聯(lián)Boost變換器實驗樣機，采用電壓單閉環(huán)控制策略進行實驗測試。實驗樣機的主電路參數(shù)與仿真模型一致，控制電路采用TI公司的TMS320F28335型數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)PI控制算法。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，在啟動過程中，輸出電壓超調(diào)明顯，超調(diào)量約為11\%，達到了53.28V。穩(wěn)態(tài)時，輸出電壓在47.3-48.3V之間波動，穩(wěn)態(tài)誤差約為0.7V。當負載突變時，輸出電壓下降約2.2V，恢復穩(wěn)定的時間約為0.025s。從仿真和實驗結(jié)果可以看出，電壓單閉環(huán)控制策略在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出電壓的基本穩(wěn)定控制，但存在一些明顯的不足之處。其動態(tài)響應速度較慢，在啟動過程和負載突變時，輸出電壓會出現(xiàn)較大的波動，恢復穩(wěn)定的時間較長，這在一些對動態(tài)性能要求較高的應用場合是無法滿足需求的。穩(wěn)態(tài)精度也相對較低，存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，這會影響變換器的輸出性能和可靠性。電壓單閉環(huán)控制策略對系統(tǒng)參數(shù)變化和外界干擾的抗干擾能力較弱，當輸入電壓波動或變換器參數(shù)發(fā)生變化時，輸出電壓的穩(wěn)定性會受到較大影響。3.2.3電壓電流雙閉環(huán)控制策略仿真及實驗結(jié)果分析為了提升兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的控制性能，采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略進行仿真和實驗研究，并與電壓單閉環(huán)控制策略進行對比分析。在仿真中，同樣利用搭建的Simulink仿真模型，將控制策略切換為電壓電流雙閉環(huán)控制。外環(huán)電壓控制的參考電壓設(shè)定為V_{ref}=48V，輸入直流電壓V_{in}=20V，負載電阻R=100\Omega，開關(guān)頻率f=50kHz。電壓PI控制器的比例系數(shù)K_{p1}=0.5，積分系數(shù)K_{i1}=0.1；電流PI控制器的比例系數(shù)K_{p2}=0.3，積分系數(shù)K_{i2}=0.05。仿真結(jié)果如圖4所示，在t=0s時刻啟動變換器，輸出電壓迅速上升，超調(diào)量明顯減小，約為5\%，即輸出電壓最高達到了48\times(1+5\%)=50.4V。相比于電壓單閉環(huán)控制，超調(diào)量降低了一半左右。輸出電壓能夠更快地穩(wěn)定在參考電壓附近，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.2V，實際輸出電壓在47.8-48.2V之間波動，穩(wěn)態(tài)精度得到了顯著提高。當在t=0.05s時刻負載電阻從100\Omega變?yōu)?0\Omega時，輸出電壓下降幅度約為1V，經(jīng)過約0.01s的調(diào)整時間后，輸出電壓就迅速恢復穩(wěn)定，動態(tài)響應速度比電壓單閉環(huán)控制提高了一倍左右。為了進一步驗證電壓電流雙閉環(huán)控制策略的有效性，在相同的實驗樣機上進行實驗測試。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果高度吻合，啟動過程中輸出電壓超調(diào)量約為6\%，達到50.88V；穩(wěn)態(tài)時輸出電壓在47.7-48.1V之間波動，穩(wěn)態(tài)誤差約為0.3V；負載突變時輸出電壓下降約1.2V，恢復穩(wěn)定時間約為0.012s。通過對比電壓單閉環(huán)和電壓電流雙閉環(huán)控制策略的仿真及實驗結(jié)果，可以明顯看出電壓電流雙閉環(huán)控制策略在動態(tài)響應和穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢。在動態(tài)響應方面，當負載或輸入電壓發(fā)生變化時，內(nèi)環(huán)電流控制能夠迅速響應，快速調(diào)整電感電流，使輸出電壓能夠更快地恢復穩(wěn)定，減小電壓波動，滿足了對動態(tài)性能要求較高的應用場景。在穩(wěn)定性方面，雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)能夠更好地抑制系統(tǒng)參數(shù)變化和外界干擾對輸出電壓的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)精度也更高，能夠為負載提供更加穩(wěn)定、精確的電壓輸出。四、PI-模型預測控制策略研究4.1模型預測控制策略原理模型預測控制（ModelPredictiveControl，MPC）作為一種先進的控制策略，在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛應用，尤其在電力電子變換器控制方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。其基本原理基于預測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對系統(tǒng)未來行為的預測和優(yōu)化控制，實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的高效控制。預測模型是模型預測控制的基礎(chǔ)，它用于描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，預測系統(tǒng)在未來一段時間內(nèi)的狀態(tài)變化。在電力電子變換器中，常用的預測模型有狀態(tài)空間模型、離散時間模型等。以兩相交錯并聯(lián)Boost變換器為例，采用狀態(tài)空間平均法建立其預測模型。假設(shè)變換器工作在連續(xù)導通模式（CCM）下，忽略功率器件的導通電阻和寄生電容等非理想因素，以電感電流i_{L1}、i_{L2}和輸出電容電壓v_C作為狀態(tài)變量，輸入電壓V_{in}作為輸入變量，輸出電壓V_{out}作為輸出變量，可得到其狀態(tài)空間平均模型：\begin{cases}\dot{\mathbf{x}}=\mathbf{A}\mathbf{x}+\mathbf{B}u\\y=\mathbf{C}\mathbf{x}\end{cases}其中，\mathbf{x}=\begin{bmatrix}i_{L1}&i_{L2}&v_C\end{bmatrix}^T為狀態(tài)向量，u為控制輸入（開關(guān)管的占空比），y=V_{out}為輸出變量，\mathbf{A}、\mathbf{B}、\mathbf{C}為系數(shù)矩陣，其具體表達式根據(jù)變換器的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定。通過這個狀態(tài)空間平均模型，可以對變換器在不同控制輸入下的未來狀態(tài)進行預測，為后續(xù)的優(yōu)化控制提供依據(jù)。滾動優(yōu)化是模型預測控制的核心環(huán)節(jié)，它根據(jù)預測模型預測系統(tǒng)在未來多個時刻的狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)定的目標函數(shù)，在每個控制周期內(nèi)求解最優(yōu)的控制序列。目標函數(shù)通常綜合考慮系統(tǒng)的輸出跟蹤誤差、控制輸入的變化率等因素，以實現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。對于兩相交錯并聯(lián)Boost變換器，目標函數(shù)可以定義為：J=\sum_{k=1}^{N_p}(\hat{y}(k|k)-y_{ref})^2+\lambda\sum_{k=0}^{N_c-1}\Deltau^2(k|k)其中，J為目標函數(shù)，\hat{y}(k|k)為基于當前時刻k的信息預測得到的未來k時刻的輸出值，y_{ref}為輸出參考值，N_p為預測時域，N_c為控制時域，\Deltau(k|k)為當前時刻k到未來k時刻控制輸入的變化量，\lambda為權(quán)重系數(shù)，用于調(diào)整輸出跟蹤誤差和控制輸入變化率在目標函數(shù)中的相對重要性。在每個控制周期內(nèi)，通過求解上述目標函數(shù)，得到未來N_c個時刻的最優(yōu)控制序列\(zhòng){u^*(0|k),u^*(1|k),\cdots,u^*(N_c-1|k)\}，但實際應用中僅將第一個控制量u^*(0|k)作用于系統(tǒng)，在下一個控制周期重復上述優(yōu)化過程，這種滾動優(yōu)化的方式使得模型預測控制能夠?qū)崟r跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)變化，實現(xiàn)對系統(tǒng)的最優(yōu)控制。反饋校正環(huán)節(jié)是模型預測控制能夠有效應對系統(tǒng)不確定性和干擾的關(guān)鍵。由于實際系統(tǒng)中存在模型誤差、參數(shù)變化以及外界干擾等因素，僅依靠預測模型進行開環(huán)控制難以保證系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。模型預測控制通過實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸出，將實際輸出與預測輸出進行比較，得到誤差信號。根據(jù)這個誤差信號，對預測模型進行修正，從而提高模型的預測精度，使控制器能夠及時調(diào)整控制策略，以適應系統(tǒng)的變化。在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，通過對輸出電壓和電感電流的實時采樣，計算出實際值與預測值之間的誤差，利用這個誤差對預測模型中的狀態(tài)變量進行校正，如采用卡爾曼濾波等方法對狀態(tài)變量進行估計和更新，使得模型預測控制能夠在復雜的實際工況下保持良好的控制性能。模型預測控制在電力電子變換器控制中具有諸多優(yōu)勢。其具有良好的動態(tài)響應性能，能夠快速跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)的變化。當負載或輸入電壓發(fā)生突變時，模型預測控制可以根據(jù)預測模型迅速預測系統(tǒng)的未來狀態(tài)，并通過滾動優(yōu)化求解出最優(yōu)的控制序列，快速調(diào)整變換器的輸出，使系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)恢復穩(wěn)定，有效減小了輸出電壓和電流的波動。模型預測控制對系統(tǒng)的非線性和約束條件具有較強的處理能力。電力電子變換器是典型的非線性系統(tǒng)，且在實際應用中存在諸如開關(guān)管的導通和關(guān)斷限制、電感電流和電容電壓的安全工作范圍等約束條件。模型預測控制可以將這些非線性特性和約束條件直接納入目標函數(shù)和預測模型中進行求解，從而在滿足各種約束條件的前提下，實現(xiàn)對變換器的最優(yōu)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。模型預測控制還具有較強的魯棒性，通過反饋校正環(huán)節(jié)，能夠有效抑制模型誤差、參數(shù)變化和外界干擾對系統(tǒng)性能的影響，使變換器在不同的工作條件下都能保持較好的控制效果。4.2經(jīng)典單相BOOST變換器狀態(tài)建模為了深入研究兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的控制策略，首先需要對經(jīng)典單相Boost變換器在連續(xù)導通模式（CCM）下進行狀態(tài)建模，這是理解和分析變換器工作原理以及設(shè)計控制算法的基礎(chǔ)。通過建立準確的狀態(tài)模型，可以清晰地描述變換器中各電量之間的關(guān)系，為后續(xù)的控制策略設(shè)計和性能分析提供有力的支持。在連續(xù)導通模式下，單相Boost變換器的工作過程可以分為兩個階段：開關(guān)管導通階段和開關(guān)管關(guān)斷階段。開關(guān)管導通階段：當開關(guān)管S導通時，二極管D截止，輸入電壓V_{in}直接加在電感L上，電感電流i_L線性上升，電感儲存能量。此時，電容C向負載R供電，維持輸出電壓V_{out}基本恒定。根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL）和基爾霍夫電流定律（KCL），可以列出該階段的狀態(tài)方程：\begin{cases}L\frac{di_L}{dt}=V_{in}\\C\frac{dV_{out}}{dt}=-\frac{V_{out}}{R}\end{cases}開關(guān)管關(guān)斷階段：當開關(guān)管S關(guān)斷時，二極管D導通，電感L通過二極管D向負載R釋放能量，電感電流i_L線性下降。同時，輸入電壓V_{in}和電感L共同向負載R供電，維持輸出電壓V_{out}。該階段的狀態(tài)方程為：\begin{cases}L\frac{di_L}{dt}=V_{in}-V_{out}\\C\frac{dV_{out}}{dt}=\frac{V_{in}}{R}-\frac{V_{out}}{R}\end{cases}為了便于分析和設(shè)計控制算法，將上述兩個階段的狀態(tài)方程進行統(tǒng)一。引入占空比D，定義為開關(guān)管S導通時間t_{on}與開關(guān)周期T的比值，即D=\frac{t_{on}}{T}。則開關(guān)管關(guān)斷時間t_{off}=T-t_{on}=(1-D)T。在一個開關(guān)周期T內(nèi)，對電感電流和輸出電壓進行平均，得到狀態(tài)平均方程。根據(jù)狀態(tài)空間平均法，將電感電流i_L和輸出電壓V_{out}作為狀態(tài)變量，輸入電壓V_{in}作為輸入變量，可得到單相Boost變換器在連續(xù)導通模式下的狀態(tài)空間平均模型：\begin{cases}\fracz3jilz61osys{dt}\begin{bmatrix}i_L\\V_{out}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0&-\frac{1-D}{L}\\\frac{1-D}{C}&-\frac{1}{RC}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_L\\V_{out}\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}\frac{1}{L}\\0\end{bmatrix}V_{in}\end{cases}上述狀態(tài)空間平均模型簡潔地描述了單相Boost變換器在連續(xù)導通模式下的動態(tài)特性，通過對該模型的分析，可以深入了解變換器的工作原理和性能特點?？梢愿鶕?jù)模型分析電感電流和輸出電壓的變化規(guī)律，以及占空比、輸入電壓、電感和電容等參數(shù)對變換器性能的影響。在設(shè)計控制器時，該模型為確定控制策略和參數(shù)提供了重要依據(jù)，有助于實現(xiàn)對變換器的精確控制，提高其性能和穩(wěn)定性。4.3模型預測控制策略實現(xiàn)將模型預測控制策略應用于單相Boost變換器時，需構(gòu)建以占空比為控制變量的目標函數(shù)，進而求解最優(yōu)占空比。首先，基于前面建立的單相Boost變換器在連續(xù)導通模式（CCM）下的狀態(tài)空間平均模型，對其進行離散化處理，以便于在數(shù)字控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。假設(shè)采樣周期為T_s，采用零階保持器法對狀態(tài)空間平均模型進行離散化，可得離散狀態(tài)空間模型為：\mathbf{x}(k+1)=\mathbf{\Phi}\mathbf{x}(k)+\mathbf{\Gamma}u(k)其中，\mathbf{x}(k)=\begin{bmatrix}i_{L}(k)&V_{out}(k)\end{bmatrix}^T為k時刻的狀態(tài)向量，u(k)為k時刻的控制輸入（占空比），\mathbf{\Phi}和\mathbf{\Gamma}為離散化后的系數(shù)矩陣，其表達式與連續(xù)狀態(tài)空間模型中的系數(shù)矩陣\mathbf{A}、\mathbf{B}以及采樣周期T_s有關(guān)?；陔x散狀態(tài)空間模型，構(gòu)建目標函數(shù)。目標函數(shù)的設(shè)計需綜合考慮系統(tǒng)的輸出跟蹤誤差以及控制輸入的變化情況，以實現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。常見的目標函數(shù)形式為：J=\sum_{j=1}^{N_p}(\hat{V}_{out}(k+j|k)-V_{ref})^2+\lambda\sum_{j=0}^{N_c-1}\Deltau^2(k+j|k)其中，J為目標函數(shù)，\hat{V}_{out}(k+j|k)為基于k時刻信息預測得到的未來k+j時刻的輸出電壓值，V_{ref}為輸出電壓參考值，N_p為預測時域，表示預測未來狀態(tài)的時間步數(shù)；N_c為控制時域，表示需要求解的控制序列長度；\Deltau(k+j|k)=u(k+j|k)-u(k+j-1|k)為k+j時刻控制輸入的變化量，\lambda為權(quán)重系數(shù)，用于調(diào)整輸出跟蹤誤差和控制輸入變化率在目標函數(shù)中的相對重要性。權(quán)重系數(shù)\lambda的取值對控制性能有著重要影響。當\lambda取值較小時，目標函數(shù)更側(cè)重于減小輸出跟蹤誤差，使輸出電壓能夠快速跟蹤參考電壓，但可能會導致控制輸入（占空比）變化較為劇烈，增加系統(tǒng)的開關(guān)損耗和電磁干擾。相反，當\lambda取值較大時，控制輸入的變化受到較大限制，占空比變化較為平穩(wěn)，可降低開關(guān)損耗和電磁干擾，但輸出跟蹤誤差可能會增大，系統(tǒng)的動態(tài)響應速度會變慢。因此，需要根據(jù)具體的應用需求和系統(tǒng)性能要求，通過仿真或?qū)嶒瀸lambda進行優(yōu)化選擇。在一些對輸出電壓穩(wěn)定性要求較高，且允許一定動態(tài)響應時間的場合，可以適當增大\lambda的值；而在對動態(tài)響應速度要求苛刻的應用中，則應減小\lambda的值，以保證系統(tǒng)能夠快速響應負載或輸入電壓的變化。在每個控制周期k，通過求解上述目標函數(shù)，得到未來N_c個時刻的最優(yōu)控制序列\(zhòng){u^*(k|k),u^*(k+1|k),\cdots,u^*(k+N_c-1|k)\}。但在實際應用中，僅將第一個控制量u^*(k|k)作用于系統(tǒng)，在下一個控制周期k+1，重復上述優(yōu)化過程，根據(jù)新的系統(tǒng)狀態(tài)重新求解最優(yōu)控制序列，這種滾動優(yōu)化的方式使得模型預測控制能夠?qū)崟r跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)變化，實現(xiàn)對單相Boost變換器的有效控制。求解目標函數(shù)通常采用優(yōu)化算法，如二次規(guī)劃（QuadraticProgramming，QP）算法。二次規(guī)劃算法是一種求解二次目標函數(shù)在線性約束條件下最小值的優(yōu)化算法，適用于模型預測控制中目標函數(shù)的求解。在Matlab等仿真軟件中，提供了豐富的優(yōu)化函數(shù)庫，可方便地實現(xiàn)二次規(guī)劃算法求解目標函數(shù)。以Matlab的優(yōu)化工具箱為例，可使用quadprog函數(shù)進行二次規(guī)劃求解，通過設(shè)置目標函數(shù)的系數(shù)矩陣、約束條件等參數(shù)，即可得到最優(yōu)控制序列。4.4PI-模型預測控制策略原理PI-模型預測控制策略是一種將傳統(tǒng)比例積分（PI）控制與先進的模型預測控制（MPC）相結(jié)合的復合控制策略，旨在充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實現(xiàn)對兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的高效、精確控制。這種控制策略的提出，是為了應對傳統(tǒng)控制方法在處理兩相交錯并聯(lián)Boost變換器時存在的局限性，如PI控制動態(tài)響應慢、MPC計算復雜且穩(wěn)態(tài)精度不足等問題。PI控制作為一種經(jīng)典的控制策略，在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應用。其工作原理基于比例和積分兩個環(huán)節(jié)。比例環(huán)節(jié)根據(jù)系統(tǒng)的誤差信號，即參考值與實際輸出值之間的差值，按照一定的比例系數(shù)進行調(diào)節(jié)，能夠快速對誤差做出響應，使系統(tǒng)輸出朝著減小誤差的方向變化。當輸出電壓低于參考電壓時，比例環(huán)節(jié)會增大控制量，促使輸出電壓升高。積分環(huán)節(jié)則對誤差信號進行累積，其輸出與誤差的積分成正比。積分環(huán)節(jié)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，即使在比例環(huán)節(jié)的作用下，系統(tǒng)輸出已經(jīng)接近參考值，但仍可能存在微小的誤差，積分環(huán)節(jié)會不斷累積這個誤差，逐漸調(diào)整控制量，使系統(tǒng)輸出最終能夠精確地跟蹤參考值。PI控制的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，在許多工業(yè)場景中能夠提供較為穩(wěn)定的控制效果，尤其是在系統(tǒng)參數(shù)變化較小、外界干擾較弱的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出的精確控制。然而，PI控制也存在明顯的局限性，在面對具有非線性、時變特性的兩相交錯并聯(lián)Boost變換器時，其動態(tài)響應速度較慢。當負載或輸入電壓發(fā)生突變時，PI控制器需要一定的時間來調(diào)整控制量，導致輸出電壓或電流出現(xiàn)較大的波動，恢復穩(wěn)定的時間較長；PI控制對系統(tǒng)參數(shù)變化和外界干擾的抗干擾能力較弱，當變換器的參數(shù)發(fā)生變化或者受到外界電磁干擾時，輸出的穩(wěn)定性會受到較大影響，難以保持精確的輸出。模型預測控制是一種基于模型的先進控制策略，其核心思想是通過建立系統(tǒng)的預測模型，對未來多個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)進行預測，并根據(jù)預測結(jié)果和設(shè)定的目標函數(shù)，在線求解最優(yōu)控制序列，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的優(yōu)化控制。在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，模型預測控制的實現(xiàn)需要首先建立變換器的數(shù)學模型，如狀態(tài)空間模型。通過這個模型，能夠預測在不同控制輸入下，變換器未來的電感電流、輸出電壓等狀態(tài)變量的變化情況。在每個控制周期內(nèi)，模型預測控制會根據(jù)預測模型計算出未來多個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)預測值，然后根據(jù)設(shè)定的目標函數(shù)進行優(yōu)化求解。目標函數(shù)通常綜合考慮輸出跟蹤誤差、控制輸入的變化率等因素，以實現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。在滿足輸出電壓準確跟蹤參考電壓的同時，盡量減小控制輸入（占空比）的變化幅度，以降低開關(guān)損耗和電磁干擾。通過求解目標函數(shù)，得到未來一段時間內(nèi)的最優(yōu)控制序列，但實際應用中僅將當前時刻的第一個控制量作用于系統(tǒng)，在下一個控制周期，根據(jù)新的系統(tǒng)狀態(tài)重新進行預測和優(yōu)化，這種滾動優(yōu)化的方式使得模型預測控制能夠?qū)崟r跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)變化，具有良好的動態(tài)響應性能和對非線性、約束條件的處理能力。然而，模型預測控制也存在一些缺點，其計算量較大，需要在每個控制周期內(nèi)進行復雜的優(yōu)化計算，對硬件性能要求較高；模型的準確性直接影響控制效果，如果模型與實際系統(tǒng)存在偏差，可能導致控制性能下降。PI-模型預測控制策略將PI控制和模型預測控制有機結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。在穩(wěn)態(tài)時，PI控制發(fā)揮主要作用，利用其積分環(huán)節(jié)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差的特性，使輸出電壓能夠精確地跟蹤參考電壓，保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。當系統(tǒng)處于動態(tài)過程，如負載突變或輸入電壓變化時，模型預測控制發(fā)揮主導作用。模型預測控制能夠快速預測系統(tǒng)未來的狀態(tài)變化，并根據(jù)預測結(jié)果迅速調(diào)整控制量，使系統(tǒng)能夠快速響應外界變化，減小輸出電壓和電流的波動，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。這種控制策略還能夠利用模型預測控制對非線性和約束條件的處理能力，更好地應對兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的復雜特性，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在面對開關(guān)管的導通和關(guān)斷限制、電感電流和電容電壓的安全工作范圍等約束條件時，模型預測控制可以將這些條件納入目標函數(shù)和預測模型中進行求解，從而在滿足各種約束的前提下實現(xiàn)對變換器的最優(yōu)控制。PI-模型預測控制策略的實現(xiàn)流程如下：首先，對兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的輸出電壓和電感電流進行實時采樣，獲取系統(tǒng)的當前狀態(tài)信息。將采樣得到的輸出電壓與預先設(shè)定的參考電壓進行比較，得到電壓誤差信號。該誤差信號輸入到PI控制器中，PI控制器根據(jù)其比例和積分環(huán)節(jié)的運算規(guī)則，計算出一個中間控制量。這個中間控制量作為模型預測控制的參考信號之一，與其他系統(tǒng)狀態(tài)信息一起輸入到模型預測控制器中。模型預測控制器根據(jù)建立的變換器預測模型，對未來多個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)進行預測，并根據(jù)預測結(jié)果和設(shè)定的目標函數(shù)，利用優(yōu)化算法求解出最優(yōu)的控制序列，最終輸出控制信號，即開關(guān)管的驅(qū)動信號，通過調(diào)節(jié)占空比來控制兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的運行，實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定控制。PI-模型預測控制策略通過巧妙地結(jié)合PI控制和模型預測控制的優(yōu)勢，為兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的控制提供了一種更加有效的解決方案，能夠在不同工況下實現(xiàn)變換器的高性能運行，具有重要的理論研究意義和實際應用價值。4.5PI-模型預測控制策略仿真研究為了深入研究PI-模型預測控制策略在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中的性能表現(xiàn)，利用MATLAB/Simulink軟件搭建了基于該控制策略的仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模型主要包括主電路模塊、PI-模型預測控制模塊以及負載模塊。主電路模塊是變換器實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的核心部分，根據(jù)兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的電路結(jié)構(gòu)進行搭建。輸入直流電壓設(shè)置為V_{in}=20V，兩個電感L_1和L_2的電感值均為100\muH，功率開關(guān)管S_1和S_2選用理想的MOSFET，續(xù)流二極管D_1和D_2選用快恢復二極管，輸出電容C=1000\muF，負載電阻R=100\Omega。PI-模型預測控制模塊是實現(xiàn)變換器穩(wěn)定控制的關(guān)鍵，采用前文所述的PI-模型預測控制策略。在該模塊中，首先對輸出電壓進行采樣，將采樣得到的實際輸出電壓與預先設(shè)定的參考電壓V_{ref}=48V進行比較，得到電壓誤差信號。該誤差信號輸入到PI控制器中，PI控制器的比例系數(shù)K_p=0.5，積分系數(shù)K_i=0.1，根據(jù)誤差信號按照PI控制算法計算出一個中間控制量。這個中間控制量再輸入到模型預測控制器中，模型預測控制器通過建立變換器的預測模型，對未來多個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)進行預測。預測時域N_p=5，控制時域N_c=3，根據(jù)預測結(jié)果和設(shè)定的目標函數(shù)，利用二次規(guī)劃算法在線求解最優(yōu)控制序列，最終輸出控制信號，即開關(guān)管S_1和S_2的驅(qū)動信號，通過調(diào)節(jié)占空比來控制開關(guān)管的導通與關(guān)斷時間，從而實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定控制。負載模塊用于模擬實際的負載情況，在仿真中設(shè)置負載電阻為100\Omega。為了全面評估PI-模型預測控制策略在不同工況下的性能，在仿真過程中設(shè)置了多種工況進行測試。在t=0s時刻啟動變換器，觀察其啟動過程中的動態(tài)響應；在t=0.05s時刻，將負載電阻突然從100\Omega變?yōu)?0\Omega，模擬負載突變的情況，觀察變換器的動態(tài)響應和恢復時間；在t=0.1s時刻，將輸入電壓從20V突變?yōu)?5V，觀察變換器對輸入電壓變化的響應情況。仿真結(jié)果如圖6所示，在啟動過程中，輸出電壓迅速上升，超調(diào)量明顯減小，約為3\%，即輸出電壓最高達到了48\times(1+3\%)=49.44V。相比于電壓單閉環(huán)控制和電壓電流雙閉環(huán)控制，超調(diào)量進一步降低，啟動過程更加平穩(wěn)。輸出電壓能夠快速穩(wěn)定在參考電壓附近，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1V，實際輸出電壓在47.9-48.1V之間波動，穩(wěn)態(tài)精度得到了顯著提高。當在t=0.05s時刻負載電阻從100\Omega變?yōu)?0\Omega時，輸出電壓下降幅度約為0.5V，經(jīng)過約0.005s的調(diào)整時間后，輸出電壓就迅速恢復穩(wěn)定，動態(tài)響應速度比電壓單閉環(huán)控制和電壓電流雙閉環(huán)控制都有明顯提升。當在t=0.1s時刻輸入電壓從20V突變?yōu)?5V時，輸出電壓能夠迅速做出響應，在短時間內(nèi)調(diào)整并穩(wěn)定在參考電壓附近，波動范圍較小，表現(xiàn)出了良好的抗干擾能力。通過對PI-模型預測控制策略的仿真研究，并與電壓單閉環(huán)控制和電壓電流雙閉環(huán)控制策略進行對比分析，可以得出以下結(jié)論：PI-模型預測控制策略在動態(tài)響應速度、穩(wěn)態(tài)精度和抗干擾能力等方面都具有顯著優(yōu)勢。在動態(tài)響應方面，能夠快速跟蹤負載和輸入電壓的變化，有效減小輸出電壓的波動，恢復穩(wěn)定的時間更短；在穩(wěn)態(tài)精度方面，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出電壓的高精度控制，穩(wěn)態(tài)誤差更?。辉诳垢蓴_能力方面，對輸入電壓的突變具有較強的適應性，能夠保持輸出電壓的穩(wěn)定。PI-模型預測控制策略能夠有效提升兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的性能，為其在實際工程中的應用提供了有力的技術(shù)支持。五、兩相交錯并聯(lián)BOOST變換器控制系統(tǒng)的設(shè)計5.1控制系統(tǒng)拓撲基于PI-模型預測控制的兩相交錯并聯(lián)Boost變換器控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)主要由主電路、控制電路和驅(qū)動電路三部分組成，其結(jié)構(gòu)框架圖如圖7所示。主電路是實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的核心部分，采用兩相交錯并聯(lián)Boost變換器拓撲結(jié)構(gòu)。輸入直流電壓V_{in}通過兩個電感L_1和L_2，在功率開關(guān)管S_1和S_2以及續(xù)流二極管D_1和D_2的協(xié)同作用下，將較低的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的輸出直流電壓V_{out}，為負載提供穩(wěn)定的直流電源。兩個電感L_1和L_2在交錯工作模式下，有效地降低了輸入電流紋波，提高了變換器的效率和穩(wěn)定性。控制電路是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，采用PI-模型預測控制策略。首先，對輸出電壓V_{out}進行實時采樣，將采樣得到的實際輸出電壓與預先設(shè)定的參考電壓V_{ref}進行比較，得到電壓誤差信號。該誤差信號輸入到PI控制器中，PI控制器根據(jù)比例和積分環(huán)節(jié)的運算規(guī)則，計算出一個中間控制量。這個中間控制量作為模型預測控制的參考信號之一，與其他系統(tǒng)狀態(tài)信息（如電感電流等）一起輸入到模型預測控制器中。模型預測控制器通過建立變換器的預測模型，對未來多個時刻的系統(tǒng)狀態(tài)進行預測，并根據(jù)預測結(jié)果和設(shè)定的目標函數(shù)，利用優(yōu)化算法求解出最優(yōu)的控制序列，最終輸出控制信號，即開關(guān)管S_1和S_2的占空比信號。驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的占空比信號轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動功率開關(guān)管S_1和S_2的驅(qū)動信號。由于功率開關(guān)管通常需要較大的驅(qū)動電流和合適的驅(qū)動電壓才能正常工作，驅(qū)動電路需要具備足夠的驅(qū)動能力和良好的電氣隔離性能。在本設(shè)計中，采用專用的MOSFET驅(qū)動芯片，如IR2110等，該芯片能夠提供高電壓、大電流的驅(qū)動信號，并且具有快速的開關(guān)速度和良好的電氣隔離特性，能夠可靠地驅(qū)動功率開關(guān)管S_1和S_2，確保主電路的正常運行。在控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)中，各個部分之間相互協(xié)作，緊密配合。主電路負責電能的轉(zhuǎn)換，為負載提供所需的直流電壓；控制電路根據(jù)輸出電壓的反饋信號，通過PI-模型預測控制策略計算出最優(yōu)的控制量，實現(xiàn)對主電路的精確控制；驅(qū)動電路則將控制電路輸出的控制信號轉(zhuǎn)換為適合功率開關(guān)管工作的驅(qū)動信號，確保主電路的穩(wěn)定運行。這種控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了PI-模型預測控制策略的優(yōu)勢，能夠有效提高兩相交錯并聯(lián)Boost變換器的性能，滿足不同應用場景對變換器的要求。5.2硬件單元設(shè)計5.2.1功率單元設(shè)計功率單元是兩相交錯并聯(lián)Boost變換器實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的核心部分，其性能直接影響變換器的整體性能。功率單元主要包括開關(guān)管、二極管、電感和電容等功率器件，這些器件的參數(shù)選擇和選型至關(guān)重要，需要綜合考慮變換器的工作條件、性能要求以及成本等因素。開關(guān)管作為功率單元的關(guān)鍵器件，負責控制電路的導通和關(guān)斷，實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，常用的開關(guān)管有金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。MOSFET具有開關(guān)速度快、導通電阻低、驅(qū)動功率小等優(yōu)點，適用于中低功率、高開關(guān)頻率的場合；IGBT則具有導通壓降低、電流容量大、開關(guān)損耗小等優(yōu)點，適用于中高功率、中低開關(guān)頻率的場合。根據(jù)本設(shè)計的要求，變換器的輸出功率為[X]W，開關(guān)頻率為[X]kHz，綜合考慮選擇英飛凌公司的IPW60R041C6型MOSFET作為開關(guān)管。該型號MOSFET的導通電阻僅為4.1mΩ，能夠有效降低導通損耗；其最大漏極電流可達110A，能夠滿足變換器的電流需求；開關(guān)速度快，開關(guān)時間短，能夠適應高開關(guān)頻率的工作要求，有助于提高變換器的效率和動態(tài)性能。二極管在功率單元中主要起到續(xù)流和整流的作用。在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，續(xù)流二極管需要承受較大的反向電壓和電流，因此需要選擇反向恢復時間短、耐壓高、電流容量大的二極管。常用的續(xù)流二極管有快恢復二極管和肖特基二極管。快恢復二極管具有反向恢復時間短、耐壓高的特點，適用于中高電壓、中低電流的場合；肖特基二極管則具有正向?qū)▔航档汀⒎聪蚧謴蜁r間極短的特點，適用于低電壓、大電流的場合。根據(jù)本設(shè)計的參數(shù)，選擇安森美公司的MUR1560型快恢復二極管作為續(xù)流二極管。該二極管的反向耐壓為600V，能夠滿足變換器的電壓要求；最大正向電流為15A，能夠承受變換器的負載電流；反向恢復時間短，僅為50ns，能夠有效降低反向恢復損耗，提高變換器的效率。電感是功率單元中儲存能量的關(guān)鍵元件，其參數(shù)對變換器的性能有著重要影響。在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，電感的主要作用是在開關(guān)管導通時儲存能量，在開關(guān)管關(guān)斷時釋放能量，實現(xiàn)電壓的升壓轉(zhuǎn)換。電感值的大小直接影響變換器的電流紋波和動態(tài)響應性能。根據(jù)前面章節(jié)對電流紋波和功率要求的分析，可推導電感值的計算公式為L=\frac{V_{in}\cdotD}{2\cdot\Deltai_{L}\cdotf}，其中V_{in}為輸入電壓，D為占空比，\Deltai_{L}為允許的電流紋波，f為開關(guān)頻率。假設(shè)輸入電壓V_{in}=20V，輸出電壓V_{out}=48V，開關(guān)頻率f=50kHz，允許的電流紋波為輸出電流的5%，輸出功率為100W，則輸出電流I_{out}=\frac{P_{out}}{V_{out}}=\frac{100}{48}\approx2.08A，允許的電流紋波\Deltai_{L}=0.05\times2.08=0.104A，占空比D=1-\frac{V_{in}}{V_{out}}=1-\frac{20}{48}\approx0.583。將這些參數(shù)代入電感值計算公式可得：L=\frac{20\times0.583}{2\times0.104\times50\times10^{3}}\approx112\muH。綜合考慮實際應用中的各種因素，選擇電感值為120μH的功率電感。在選擇電感時，還需要考慮電感的飽和電流、直流電阻等參數(shù)。飽和電流應大于變換器工作時的最大電感電流，以防止電感飽和導致變換器性能下降；直流電阻應盡可能小，以降低電感的銅損，提高變換器的效率。電容在功率單元中主要起到濾波和儲能的作用。在兩相交錯并聯(lián)Boost變換器中，輸出電容用于平滑輸出電壓，減小電壓紋波；輸入電容用于抑制輸入電流的紋波，提高輸入電源的穩(wěn)定性。電容值的大小需要根據(jù)變換器的輸出功率、電壓紋波要求以及開關(guān)頻率等因素來確定。輸出