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【天富登陆app】新型无传感器电压观测器,可有效降低DC-DC变换器的成本!

在高压应用中,无传感器电压控制技术可以降低DC-DC变换器的成本,提高可靠性。本文设计了一种用于电流馈电的Cockcroft-Walton电压乘法器的无传感器电压观测器。第一步是推导转换器模型。由于推导出的模型中的任何误差都会导致观察到的电压和实际输出电压之间的差异,因此推导出一个精确的模型,其中包含了影响因素。然后,设计了两个基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的电压观测器,用于估计两种不同配置的高升压DC-DC变换器的输出电压、变压器磁化电流和电感电流。系统的实验和仿真结果显示了观测器的效率。由于变换器模型中考虑了主要寄生参数,因此提出的观测器代表了良好的精度。

相关论文以题为“Sensorless Voltage Observer for a Current-Fed High Step-Up DC-DC Converter Using Extended Kalman Filter”于2020年12月4日发表在《Electronics》上。


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在过去的几十年里,高压直流电源已被广泛应用于工业、医学、科学、军事、X射线系统、灰尘过滤、绝缘测试和静电喷涂等领域。如今,大多数工业高压负载由基于线路换向晶闸管的高压(HV)电源供电,这种电源不能提供最佳的HV波形,而且其工艺成本效益不高。新兴的产生高压直流电压的拓扑结构如图1所示。该接口系统为两级结构。第一级是一个二极管整流器,它提供低直流电压,然后在第二级中,一个开关模式的DC-DC转换器提升直流电压。这些开关模式电源的广泛应用,需要设计精确、低成本、高效率的DC-DC变换器。然而传统的电压控制策略需要使用精确的电压传感器对输出电压进行采样。采用隔离式高压直流电压传感器的隔离结构带来了更多的复杂性,降低了可靠性,并给系统增加了额外的硬件成本。因此,可以采用性价比高、精度高的无传感器电压控制技术。为了应用无传感器电压控制,需要使用电压观测器来估计输出。由于系统建模的精度会影响电压观测器的性能,因此推导出转换器的准确模型非常重要,推导出的模型的任何不准确都会使观测电压与实际输出电压产生偏差。


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图1.新兴的高压直流电(DC)供电拓扑结构。

系统的控制结构

转换器(隔离型,基于CWVM)的结构与提出的电压观测器,如图2所示。测量的电感电流被用作观察器的输入。

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图2.两台无传感器电压控制的电流-升压转换器的控制结构。两种无传感器电压控制电流馈电升压转换器的控制结构。(a)基于变压器(隔离型);(b)基于Cockcroft-Walton电压倍增器(CWVM)。

转换器的精确模型

转换器的推导模型不准确会导致观测电压与实际输出电压的偏差。因此,对于变换器的每一种配置,都要推导出准确的模型,具体如下。

图3所示为隔离型配置的等效电路,其中变压器二次侧的元件称为一次侧。

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图3.基于变压器(隔离型)的升压型DC-DC转换器的精确模型。基于变压器(隔离型)的升压型DC-DC转换器的精确模型,参考初级侧。

所考虑的寄生元件如下:

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RLs:电感Ls的寄生电阻。

RL1:变压器一次绕组的电阻。

RDS:MOSFET的导通电阻。

R’L2:变压器次级绕组的电阻。

R′D:二极管的导通电阻。

V′D:二极管的正向压降。

R′Cb:电容Cb的等效串联电阻(ESR)。

R′Co:电容器Co的等效串联电阻(ESR)。

基于CWVM的转换器的等效电路如图4所示。

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图4.基于CWVM的升压式DC-DC转换器的精确模型。

所考虑的寄生元件如下。RL1和RL2分别为电感L1和L2的电阻。RDS和RD分别为MOSFET和二极管的导通电阻。VD为二极管的正向压降,RC1和RC2分别为C1和C2的等效串联电阻(ESR)。

结论

本文提出了一种适用于两种不同配置的电流馈电升压型DC-DC转换器的电压观测器。基于系统的精确模型,研究人员采用EKF电压观测器实现了电压估计。在最坏的情况下,估计误差为3%。此外,通过仿真表明,更精确的模型可以得到更精确的估计。当包含转换器寄生参数时,估计误差低于1%。因此,在模型中考虑寄生元素对于高精度的估计是必要的。在仿真中,测量噪声也加入到电流中,同时也考虑了噪声对估计精度的影响。仿真结果表明,提出的观测器可以有效地过滤噪声。实验结果也表明,通过对电感电流进行采样,并应用所提出的电压观测器,由于考虑了寄生参数,并对采样电感电流进行了补偿,所以观测到的电压与电压的实际值趋于一致,输出电压的稳态误差也最小化。因此,所提出的电压观测器可用于消除高增益升压DC-DC转换器中对昂贵的高压传感器的需求,也可用于测量噪声滤波。使用该观测器的两个主要限制是动态模型和所需数字处理器的精度,以及计算负担。

论文链接:https://www.mdpi.com/2079-9292/9/12/2066/htm

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