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基于在SEPIC转换器的快速反应再生式直流电子负载K. M.曾和W. L.陈摘要：基于SEPIC转换器的快速反应再生式直流电子负载已经实现了。
简单的多环反馈控制系统已经为SEPIC转换器而设计，以实现电子负载的主要功能。
取代了通过阻性负载放电，转换器的输出端连接到可再充电电池，这样释放的能量可以保存供日后使用。
提出方案的电路设计和实验结果，还有提出设想的影响因素的展示都将在下文展现出来。
关键词：电池，充电器，控制，电源转换器。
I．引言：电力资源和能源储存的动态响应在许多应用领域都是至关重要的。
为了测试这样的系统的动态特性，基于电力电子转换器的电子负载被广泛应用[1]。
目前,被动耗能负载用于大多数电源设备测试。
大多数测试负载是基于庞大的电阻在其上的能量被消耗以产生过度热。
有些商业用电子负载是可行的，这提供灵活的阻抗控制，但是由所吸收的能量，负载仍然作为热量耗散，无再生能源是可能性[2]。
随着减少能源消耗和因此产生的CO2排放量的需求不断增加，工程师已经把他们的重点转向更高整体效率的开发。
为了设计电力电子负载，不同的电力电子转换器拓扑结构和系统建设已经推出。
具有能源再生的电子负载设备已经提出来了，这种设备可以实现电能消耗的减少。
RACEL 3]是这样一块电力电子设备，它能够模拟任何物理阻抗并且能够发送测试能量回馈回电网。
然而，这样的布置是非常复杂和低效的。
除了测试电力设备，许多充电电池在它们使用之前也需要充放电循环骑自行车可以使用它们。
并且对于一些可充电电池来说，充分的充放电循环是非常必要的，尤其是它们闲置很长一段时间以后。
传统放电并不经济，因为所有的放电能量作为热量浪费。
如果某些释放的能量能够被回收并保存以备将来使用，这将极大地降低能源消耗。
图1 SEPIC转换器的示意图。
II．提出的（新型）电子负载电子负载的主要功能是提供四种操作模式包括恒定功率，恒定电流，恒定电阻，恒定电压。
因为所有这些功能都是与电流紧密联系在一起的，所以一个可调节输入电流的快速反应螺线管是必需的。
传统的电子负载，电源设备将通过电子开关连接到电阻性负载。
该开关将控制经电阻负载的电流的大小。
在这种配置中，所有的输入能量会被作为热量耗散。
为了恢复输入能量并和有一个来自电源的连续输入电流，SEPIC [4]如图1中所示，它是用于实现一个电子负载。
该转换器的输出连接到可再充电电池来代替电阻负载。
SEPIC转换器的选择，是因为输出电压可以高于或低于输入电压。
并且输入和输出电压是直流隔离的。
这种隔离是通过提供串联电容C，来阻止直流电从供给方到输出方来实现的。
III.SEPIC作为漏极电流SEPIC转换器是非常适合用于电流控制应用的，比如受控电流源[5]和高功率因数整流器[6] - [8]。
最近，在转换器[9] - [11]方面也有一些改善。
对于SEPIC转换器，输出电压为三态输出，并提供真正的关断模式。
当开关关闭时，其输出下降到零。
甚至即使SEPIC转换器的行为是非常有吸引力的，但是已经发现，控制器设计SEPIC转换器是很复杂得。
它已经表明，SEPIC转换器是一个四阶非最小相位系统[12]和不正当控制器的设计将最终得到一个不稳定的转换器。
该通常的做法是用一个非常低的增益控制器，但这个结果在一个缓慢的响应系统。
这是不可取的，因为电子负载可能不得不在一个可变电源的环境中工作。
如果转换器的响应速度不够快，就会在恒流，恒功率，或恒定保持阻值中失败。
为了改善它在跟踪所需的电流响应速度和甩负荷的影响，我们为SEPIC转换器设计了一个多环控制器。
对四阶系统来说代替了一个单一的控制器，这种系统被分解为简单的一阶系统和简单比例加积分（PI）控制器，被设计用于解耦一阶系统。
PI控制器则结合以形成多环反馈控制系统。
图2.SEPIC转换器的操作模式。
（a）开（b）关。
A. 对于SEPIC转换器状态空间的平均模型：图2（a）和（b）示出了开关是ON和OFF是一个SEPIC转换器的运行模式。
假设该转换器是在连续导通模式下操作。
用动态方程来描述开特性由下式给出其中Vi（t）是输入电压，VC（t）是通过隔离电容器的整个电压，i1（t）是初级电感器的电流，i2（t）是次级电感器电流，i0（t）是输出电流，L1和L2是初级和次级电感器的电感，c是隔离电容器的电容。
当开关处于关时，动态方程可描述为：其中Vo（t）是该电池的端电压。
如果转换器是在固定的开关频率操作和u（t）是占空比开关操作，在状态空间平均模型一个开关周期可以按如下方式获得。
从（1）和（5）给出了B. 多回路控制器的设计：对整个系统来说取代了一个非常复杂的单个控制器，状态空间平均模型解耦为三个简单的一阶系统和简单的PI控制器专为三解耦系统。
1）二次电流控制回路：考虑公式（12），并假设一个稳定状态，可以达到这样的V0（t）和VC（t）为常数。
等式（12）可以近似为其中Vo和Vc是VO（t）和VC（t）的稳态值，分别。
如果u（t）被取作输入和次级电感电流i2（t）被认为是控制变量，一个电流回路控制器G1（s）可以被设计为（13），如图3所示。
一个简单的PI控制器可以为当前控制环节上，以消除控制回路次级电感器电流i2（t）的V0（t）的影响。
如果PI控制器采用这个公式：电流控制回路的闭环特性被近似为：图4二次电压控制回路。
其中I2r（次），I2（s）和V0（s）分别是电感线圈参考电流i2 r（t），次级电感的电流i2（t）和输出电压Vo（t）的拉普拉斯变换。
列出的等式（15）表示如果V0（s）在一个固定的水平是良好的监管，其在电感电流i2（t）的影响可通过PI控制器来消除。
二次电流的无阻尼自然频率控制回路是由下式给出：阻尼比可求得：对于给定的阻尼比和无阻尼自然频率或控制环路的带宽，其所需的PI控制器的设置Kp1和Ki1可以很容易地从（16）和（17）获得。
2）二次电压控制回路：除了二级电感电流i2（t），通过隔离电容C的电压也已被调节好。
如果控制器不合理设计，不必要的高电压将跨越隔离电容。
考虑（10），并假设稳定状态已经达到了稳态占空比U。
方程（10）可以近似为如果次级电感电流i2（t）被取作输入与初级电感器的电流i1（t）被视为干扰，一个次级电压回路控制器G2（s）可以被设计为VC（t）如图4所示。
如果U和i1（t）在稳定状态时被良好的监管，i1（t）的对输出VC（t）的影响将是一个斜坡函数。
为了消除斜坡扰动，控制循环必须是2型。
为增加系统类型为2，电容器的传递函数是类型1和一个额外的PI控制器是必需的。
如果控制器G2（S）的形式为控制回路可以被描述为图5 初级电流控制回路其中Vcr（s），Vc（s）和i1（s）分别是参考电容电压VCR（t），电容电压Vc （t），与初级电感器的电流i1（t）拉普拉斯变换。
如果I1（t）在一个固定水平处于监管状态，其上的电容器电压Vc（t）的影响将通过PI控制器被删除。
该控制器能设置根据对无阻尼固有的规格书控制环路的频率和阻尼比。
无阻尼固有频率的控制回路如式：阻尼比：3）初级电流控制回路：考虑（9），并假设一个稳定的状态可以达到这样的占空比，u（t）的保持在U.公式（9），可以近似为如果VC（t）作为控制输入，Vi（t）和V0（t）可以是视为外部干扰，那么初级电感器的电流将成为控制变量。
图5示出了闭环控制对初级电感器的电流i1（t），其中G 3（s）是所要求的控制器的传递函数和I1r（t）是参照初级电感电流。
如果输出电压Vo（t）是良好的监管和供应Vi（t）是一个常数，如果PI 控制器在环内推出，那么电感电流i1（t）的影响可被消除。
如果G3（s）的形式为：拉普拉斯变换的初级电感器的电流成为：其中I1（s），I1r（s），VI（s），和Vo（s）分别是初级电感器的电流i1（t），参考电感器电流I1r（t），输入电压Vi（t）和输出电压Vo（t）的拉普拉斯变换。
显然，如果输入电压和输出电压在固定的水平是良好的监管，初级电感电流的影响可以被消除。
图6多环SEPIC转换器的控制。
图 7蓄热式电子负载与旁路电阻。
控制环路的无阻尼自然频率由下式给出：阻尼比由下式给出4）SEPIC转换器的多回路控制：三个控制器可以被组合在一起以形成一个多环反馈系统。
为了满足假定稳态的条件下，外部控制回路的带宽必须比内控制回路慢得多。
条件：必须得到满足。
事实上ω1，ω2和ω3必须遵守的规则监管级联控制法则[13]，[14]这样，图6示出的多环SEPIC转换器的框图。
IV. 过电压保护在测试过程中，蓄电池可能已满。
进一步充电，电池可能会损坏电池。
为了避免过度充电，一个旁路电阻器结合一个电容器可安装在输出端。
如果蓄电池是满时，它们将从SEPIC转换器断开，旁路电阻和电容将采用如图7所示的继电器开关连接到SEPIC转换器。
要安全地从SEPIC转换器断开电池，旁路电池电阻器和电容器首先要连接到转换器的输出口，随后从转换器断开电池连接。
图8电路图为多回路控制器。
V．实验设置和结果因为转换器必须在一个大的范围内连续导通模式中操作，开关频率的设定和电感的选择必须非常小心。
如果最小电流值是Imin，初级电感器的尺寸L1必须大于其中fs是转换器的开关频率。
基于DC / DC SEPIC转换器的实验再生电子负载已建成，其中L1 = 820 μH ， L2 =820 μH ， C = 100 μF和3-Ah 3.2 -V的磷酸铁锂电池因为它的高周期性被选为蓄电池。
最大漏极电流设置为3A，开关频率设置为100千赫。
该控制器的设置是基于在Vi = 4V ， V0 = 4 V。
有了这些设置，最小电流可以由转换器来处理为0.012 A，这是约0.4 ％的额定电流。
设置的Vo =4 V的目的是展示转换器的灵活性，并为更常用的输出3.6-V/3.7-V的锂离子电池代替输出留出空间。
在稳定状态下，Vc= Vi和U = 0.5 。
z这三个无阻尼固有频率分别设置以ω1 = 251330次/秒（ 40千赫），ω2 = 25133次/秒（ 4千赫），和ω3 = 2513.3次/秒（ 400赫兹），阻尼比均设置为ζ 1 = ζ 2 = ζ 3 = 1.5 。
阻尼比被设置为1.5，很大的差距设置在无阻尼固有频率之间，这样可以为放置所有变量留下更多的空间，并且系统仍然被良好的阻尼。
从（16），（17），（ 21 ），（22 ），（ 26 ）和（ 27 ）得出，需要的3个PI控制器由下式给出：图8示出了硬件实现的用于再生的电子负载的多环控制器。
图 9模拟的结果，6V，(a)200Hz的三角波，(b)输入200HZ正弦波。
实验结果：为了证明在电流跟踪的条件下，该控制器的有效性，a 3-Ah 3.2-V的磷酸铁锂电池被装配到输出端，电子负载被用来测试不同电流的要求和不同的输入电压。
