《电子技术应用》
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宽输入全桥Buck-Boost变换器控制策略研究
2019年电子技术应用第12期
王少斌,苏淑靖,任 婷
中北大学 电子测试技术重点实验室,山西 太原030051
摘要: 针对全桥Buck-Boost(FBBB)变换器在宽输入电压范围内高散热需求、低效率、可靠性差等问题,提出了一种宽输入FBBB变换器多模式控制策略。该策略根据输入电压与输出电压的关系确定变换器的工作模式,采用平均电流控制与双沿调制、移相控制相结合的方式,实现FBBB变换器在降压、升压和升降压模式之间平滑过渡,变换器工作在有效占空比区间,对电感电流进行有效控制,确保变换器安全可靠工作。使用Type-Ⅲ型补偿网络来改善控制环路,实现高精度输出和快速动态响应。最后通过搭建仿真模型,验证了其正确性和有效性。
中图分类号: TM461
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190887
中文引用格式: 王少斌,苏淑靖,任婷. 宽输入全桥Buck-Boost变换器控制策略研究[J].电子技术应用,2019,45(12):110-114.
英文引用格式: Wang Shaobin,Su Shujing,Ren Ting. Study on control strategy of full bridge buck-boost converter based on wide input voltage[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(12):110-114.
Study on control strategy of full bridge buck-boost converter based on wide input voltage
Wang Shaobin,Su Shujing,Ren Ting
Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China
Abstract: A multi-mode control strategy for full-bridge buck-boost(FBBB) converter is proposed to solve the problems of high heat dissipation requirement, low efficiency and poor reliability in wide input voltage range. This strategy determines the working mode of the converter according to the relationship between the input voltage and the output voltage. By combining the average current control with dual-edge modulation and phase-shifting control, the FBBB converter can achieve a smooth transition between step-down, step-up and step-down modes. The converter works in the effective duty cycle region and conducts inductive current. Effective control is taken to ensure the safe and reliable operation of the converter. Type-III compensation network is used to improve the control loop and achieve high precision output and fast dynamic response. Finally, a simulation model is built to verify its correctness and effectiveness.
Key words : full bridge buck-boost converter;wide input voltage;average current control;dual-modulation;compensation network

0 引言

    随着能源日益紧张,绿色环保、节能减排成为如今乃至未来的很长一段时间内全球所提倡的重要主题,但由于实际操作的不可控性和不确定性,系统输出的电压变化范围大,这就需要具有宽输入电压范围特性的DC-DC变换器来将大范围变化的输入电压转化为稳定的所需电压值[1-4]。因此,宽输入电压范围DC-DC变换器的研究对于社会的发展有着极其重要的意义。

    全桥Buck-Boost(FBBB)变换器由Buck、Boost变换器级联而来,结构简单,开关管应力低、输出电压可升可降,在输入电压变换范围较宽的场合得到广泛利用。目前,典型的控制方式为双模式控制,当输入电压大于输出电压时,工作在降压(Buck)模式;当输入电压小于输出电压时,工作在升压(Boost)模式[5-6]。这种控制方式结合了Buck、Boost变换器的电流脉动小、效率高的优点。然而,Boost模式存在右半平面零点,限制了变换器动态响应,且输入电压与输出电压接近时,变换器不断切换工作模式使得输出纹波较大。文献[5]提出了一种隔离型Buck-Boost拓扑,采用双沿调制控制策略,在250~500 V的输入电压范围内实现较高的效率,但结构复杂,设计起来比较困难。文献[6]中在双模式的基础上增加Buck-Boost模式,当输入输出电压接近时,采用双调制单载波方式实现Buck、Boost模式之间平衡切换,但使用电压型控制,动态响应性能差。文献[7]提出带输入电压前馈的两模式平均电流控制策略,提高了变换器的动态响应,但在输入输出电压接近时输出纹波较大,系统稳定性差。文献[8]针对FBBB变换器提出了双积分滑膜控制策略,增加了系统复杂性,并且容易产生抖振,影响系统稳定性。

    本文提出了一种基于宽输入电压范围的FBBB变换器多模式控制策略,根据输入电压与输出电压的关系确定变换器的工作模式,采用平均电流控制与双沿调制、移相控制相结合的方式,提高系统的动态响应,实现多模式之间平滑切换,并通过仿真实验验证了所提控制策略的正确性。

1 FBBB变换器原理分析

    FBBB变换器电路拓扑如图1所示,该变换器可以实现输入到输出同相的升降压变换,功率管Q1、Q2构成Buck单元,定义该单元占空比为d1;功率管Q3、Q4构成Boost单元,定义该单元占空比为d2;L、C分别为电感、电容。根据电感伏秒平衡,可得输入电压Vin与输出电压Vout之间关系为:

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    根据上式可知,FBBB变换器的增益只和占空比d1、d2有关,且d1、d2相互独立,增加了设计自由度。由于桥臂上下功率管不能同时导通,所以FBBB变换器有四种工作模态,如表1所示。采取级联型工作模式,模态1和模态2构成降压(Buck)工作模式,模态2和模态4构成升压(Boost)工作模式,模态2和模态3构成升降压(Buck-Boost)工作模式。

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    假设iL0为各模态中电感电流的起始值,iLn(n=1,2,3)为各模态中电感电流的末值,tmn(n=1,2,3)为各模态的持续时间,模态1中功率管Q1、Q3导通,形成V1-Q1-L-Q3-V0闭合回路,此模态持续时间为tm1,电感电流变化量为iL1-iL0,则电感电流与输入输出电压之间关系为:

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    同理,模态2、模态3和模态4中电感电流与电压之间关系分别为:

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2 多模式控制策略

    两模式控制下的FBBB变换器电流脉动小,损耗低,但输入电压Vin、输出电压Vout接近时实际电路存在极限占空比限制,变换器不断切换工作方式,系统稳定性差。为此,在输出电压Vout附近的一段区间引入Buck-Boost模式,其区间长度为2Vth。FBBB变换器多模式控制策略如图2和图3所示,当Vin>Vout+Vth、Vin<Vout-Vth时,变换器分别工作在Buck工作模式、Boost工作模式,开关Q0闭合,通过调制信号Ubo、调制信号Ubu和锯齿波载波比较,进而产生PWM驱动信号,当Vout-Vth<Vin<Vout+Vth时,变换器工作在Buck-Boost工作模式,开关Q0关断,消除偏置电压Ubi,开关管以移相的方式导通关断,进而实现多模式之间的平衡切换,提高系统稳定性。

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    根据文献[9]、[10]可知,FBBB变换器的Buck、Buck-Boost、Boost模式控制传递函数分别为:

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    采用平均电流模式控制,不需要额外谐波补偿,THD很小,对噪声不敏感,且电感电流峰值与平均值之间误差小,原则上可应用于任何电路,系统控制框图如图4所示,Gv(s)、Gi(s)分别为电流控制器矫正传递函数,Gc(s)为PWM调制器传递函数,Gid(s)、Gvd(s)分别为控制-输出电流开环传递函数、功率级等效负载,R(s)、H(s)分别为电流采样、输出电压采样传递函数。

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    由式(2)、(3)、(4)可得,升压和升降压模式的传递函数右半平面存在零点,且升压模式右半平面的零点小于升降压模式,所以升降压模式的电流调节器按照升压模式设计。采用Type-Ⅲ型补偿网络为电流控制器矫正,不仅要对系统右半平面零点进行补偿,还要使系统以-20 dB/(°)的斜率下降穿越0 dB线,相位裕量为45°左右。

    Type-Ⅲ型补偿网络结构如图5所示,传递函数为:

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    设加入补偿网络后开环传递函数的交越频率fc为开关频率fs的1/10,将第一个零点频率设在系统转折频率的1/2~1/4之间,第二个零点频率设在系统转折频率的1/2~1之间。同时为了抑制高频噪声,需要把第一个极点频率设置在大于交越频率的1.5倍处,第二个极点设置在输出电容的等效串联电阻(ESR)带来的高频零点附近。根据上述设计值确定补偿网络中各参数的值,从而完成补偿网络的设计,进一步提升系统稳定性和动态响应速度。

3 实验验证

    为验证以上分析的正确性,在软件Simplis中搭建了FBBB变换器的仿真电路模型,主要参数如表2所示,Vth取值应该稍大一点,以避免工作模式频繁切换,另外,一般高频开关电源占空比设计在0.1~0.9之间,因此本文选取Vth为4 V。输入电压分为三个区间:[8,24]、[24,32]、[32,60],分别对应着Boost、Buck-Boost、Buck工作模式。

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    图6为输入输出电压波形,可以看出在输入电压保持不变和切换时输出电压比较平滑,没有出现大的波动,证明了所提多模式控制策略的正确性和电流控制与双沿调制、移相控制相结合的有效性。

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    图7、图8、图9分别为模式切换点的放大波形,输入电压由8 V改为24 V,变换器从升压模式变为升降压模式;输入电压由32 V改为60 V时,变换器从升降压模式变为降压模式。在整个输入电压范围内,电感电流都能够迅速响应输入电压,没有出现较大冲击和长时间震荡,能快速稳定,动态响应性快,可靠性高。

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4 结论

    本文针对宽输入全桥Buck-Boost变换器的控制策略进行了研究,提出了一种采用平均电流控制、双沿调制和移相控制结合的多模式控制策略,不仅对电感电流进行了控制,实现工作模式之间的平滑切换,降低了输出电压纹波。同时,设计搭建仿真电路模型,实现了7倍宽输入电压范围的DC-DC变换,验证了所提控制策略的可行性。

参考文献

[1] 吴少雷,肖坚红,冯玉,等.基于多模式控制的储能用双向Buck-Boost DC/DC变换器[J].电子测量技术,2019,42(10):22-27.

[2] 袁财源,苏淑靖。双沿调制的双管Buck-Boost变换器[J]。电子技术应用,2018,44(11):124-128。

[3] 房绪鹏,赵扬,于志学。新型双向DC/DC变流器在不停电电源系统中的应用[J]。电子技术应用,2018,44(9):141-145。

[4] 魏青,刘宝泉,杨振.四开关Buck-Boost变换器同步双载波单模式控制策略[J].陕西科技大学学报,2019,37(3):153-157,163.

[5] 刘树峰.宽输入范围DC/DC变换器及其效率提升方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.

[6] YUAN C,RUAN X,CAO W,et al。A two-mode control scheme with input voltage feed-forward for the two-switch buck-boost DC-DC converter[J]。IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29(4):2037-2048。

[7] 颜湘武,王杨,葛小凤,等.双管Buck-Boost变换器的带输入电压前馈双闭环控制策略[J].电力自动化设备,2016,36(10):65-70,77.

[8] 黄奇林,曹江华,丁杰。基于双积分滑模控制的Buck-Boost电压平衡器的研究[J]。电子技术应用,2018,44(12):131-134。

[9] ZHOU Z,LI H,WU X.A constant frequency ZVS control system for the four-switch buck-boost dc-dc converter with reduced inductor current[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2019,34(7):5996-6003.

[10] 李山,宋立风,章治国.四开关Buck-Boost变换器的三模式控制方法研究[J].电源学报,2019,17(3):111-119.



作者信息:

王少斌,苏淑靖,任  婷

(中北大学 电子测试技术重点实验室,山西 太原030051)

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