《電子技術應用》
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寬輸入全橋Buck-Boost變換器控制策略研究
2019年電子技術應用第12期
王少斌,蘇淑靖,任 婷
中北大學 電子測試技術重點實驗室,山西 太原030051
摘要: 針對全橋Buck-Boost(FBBB)變換器在寬輸入電壓范圍內高散熱需求、低效率、可靠性差等問題,提出了一種寬輸入FBBB變換器多模式控制策略。該策略根據輸入電壓與輸出電壓的關系確定變換器的工作模式,采用平均電流控制與雙沿調制、移相控制相結合的方式,實現FBBB變換器在降壓、升壓和升降壓模式之間平滑過渡,變換器工作在有效占空比區間,對電感電流進行有效控制,確保變換器安全可靠工作。使用Type-Ⅲ型補償網絡來改善控制環路,實現高精度輸出和快速動態響應。最后通過搭建仿真模型,驗證了其正確性和有效性。
中圖分類號: TM461
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190887
中文引用格式: 王少斌,蘇淑靖,任婷. 寬輸入全橋Buck-Boost變換器控制策略研究[J].電子技術應用,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

    隨著能源日益緊張,綠色環保、節能減排成為如今乃至未來的很長一段時間內全球所提倡的重要主題,但由于實際操作的不可控性和不確定性,系統輸出的電壓變化范圍大,這就需要具有寬輸入電壓范圍特性的DC-DC變換器來將大范圍變化的輸入電壓轉化為穩定的所需電壓值[1-4]。因此,寬輸入電壓范圍DC-DC變換器的研究對于社會的發展有著極其重要的意義。

    全橋Buck-Boost(FBBB)變換器由Buck、Boost變換器級聯而來,結構簡單,開關管應力低、輸出電壓可升可降,在輸入電壓變換范圍較寬的場合得到廣泛利用。目前,典型的控制方式為雙模式控制,當輸入電壓大于輸出電壓時,工作在降壓(Buck)模式;當輸入電壓小于輸出電壓時,工作在升壓(Boost)模式[5-6]。這種控制方式結合了Buck、Boost變換器的電流脈動小、效率高的優點。然而,Boost模式存在右半平面零點,限制了變換器動態響應,且輸入電壓與輸出電壓接近時,變換器不斷切換工作模式使得輸出紋波較大。文獻[5]提出了一種隔離型Buck-Boost拓撲,采用雙沿調制控制策略,在250~500 V的輸入電壓范圍內實現較高的效率,但結構復雜,設計起來比較困難。文獻[6]中在雙模式的基礎上增加Buck-Boost模式,當輸入輸出電壓接近時,采用雙調制單載波方式實現Buck、Boost模式之間平衡切換,但使用電壓型控制,動態響應性能差。文獻[7]提出帶輸入電壓前饋的兩模式平均電流控制策略,提高了變換器的動態響應,但在輸入輸出電壓接近時輸出紋波較大,系統穩定性差。文獻[8]針對FBBB變換器提出了雙積分滑膜控制策略,增加了系統復雜性,并且容易產生抖振,影響系統穩定性。

    本文提出了一種基于寬輸入電壓范圍的FBBB變換器多模式控制策略,根據輸入電壓與輸出電壓的關系確定變換器的工作模式,采用平均電流控制與雙沿調制、移相控制相結合的方式,提高系統的動態響應,實現多模式之間平滑切換,并通過仿真實驗驗證了所提控制策略的正確性。

1 FBBB變換器原理分析

    FBBB變換器電路拓撲如圖1所示,該變換器可以實現輸入到輸出同相的升降壓變換,功率管Q1、Q2構成Buck單元,定義該單元占空比為d1;功率管Q3、Q4構成Boost單元,定義該單元占空比為d2;L、C分別為電感、電容。根據電感伏秒平衡,可得輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之間關系為:

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    根據上式可知,FBBB變換器的增益只和占空比d1、d2有關,且d1、d2相互獨立,增加了設計自由度。由于橋臂上下功率管不能同時導通,所以FBBB變換器有四種工作模態,如表1所示。采取級聯型工作模式,模態1和模態2構成降壓(Buck)工作模式,模態2和模態4構成升壓(Boost)工作模式,模態2和模態3構成升降壓(Buck-Boost)工作模式。

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    假設iL0為各模態中電感電流的起始值,iLn(n=1,2,3)為各模態中電感電流的末值,tmn(n=1,2,3)為各模態的持續時間,模態1中功率管Q1、Q3導通,形成V1-Q1-L-Q3-V0閉合回路,此模態持續時間為tm1,電感電流變化量為iL1-iL0,則電感電流與輸入輸出電壓之間關系為:

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    同理,模態2、模態3和模態4中電感電流與電壓之間關系分別為:

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2 多模式控制策略

    兩模式控制下的FBBB變換器電流脈動小,損耗低,但輸入電壓Vin、輸出電壓Vout接近時實際電路存在極限占空比限制,變換器不斷切換工作方式,系統穩定性差。為此,在輸出電壓Vout附近的一段區間引入Buck-Boost模式,其區間長度為2Vth。FBBB變換器多模式控制策略如圖2和圖3所示,當Vin>Vout+Vth、Vin<Vout-Vth時,變換器分別工作在Buck工作模式、Boost工作模式,開關Q0閉合,通過調制信號Ubo、調制信號Ubu和鋸齒波載波比較,進而產生PWM驅動信號,當Vout-Vth<Vin<Vout+Vth時,變換器工作在Buck-Boost工作模式,開關Q0關斷,消除偏置電壓Ubi,開關管以移相的方式導通關斷,進而實現多模式之間的平衡切換,提高系統穩定性。

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    根據文獻[9]、[10]可知,FBBB變換器的Buck、Buck-Boost、Boost模式控制傳遞函數分別為:

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    采用平均電流模式控制,不需要額外諧波補償,THD很小,對噪聲不敏感,且電感電流峰值與平均值之間誤差小,原則上可應用于任何電路,系統控制框圖如圖4所示,Gv(s)、Gi(s)分別為電流控制器矯正傳遞函數,Gc(s)為PWM調制器傳遞函數,Gid(s)、Gvd(s)分別為控制-輸出電流開環傳遞函數、功率級等效負載,R(s)、H(s)分別為電流采樣、輸出電壓采樣傳遞函數。

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    由式(2)、(3)、(4)可得,升壓和升降壓模式的傳遞函數右半平面存在零點,且升壓模式右半平面的零點小于升降壓模式,所以升降壓模式的電流調節器按照升壓模式設計。采用Type-Ⅲ型補償網絡為電流控制器矯正,不僅要對系統右半平面零點進行補償,還要使系統以-20 dB/(°)的斜率下降穿越0 dB線,相位裕量為45°左右。

    Type-Ⅲ型補償網絡結構如圖5所示,傳遞函數為:

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    設加入補償網絡后開環傳遞函數的交越頻率fc為開關頻率fs的1/10,將第一個零點頻率設在系統轉折頻率的1/2~1/4之間,第二個零點頻率設在系統轉折頻率的1/2~1之間。同時為了抑制高頻噪聲,需要把第一個極點頻率設置在大于交越頻率的1.5倍處,第二個極點設置在輸出電容的等效串聯電阻(ESR)帶來的高頻零點附近。根據上述設計值確定補償網絡中各參數的值,從而完成補償網絡的設計,進一步提升系統穩定性和動態響應速度。

3 實驗驗證

    為驗證以上分析的正確性,在軟件Simplis中搭建了FBBB變換器的仿真電路模型,主要參數如表2所示,Vth取值應該稍大一點,以避免工作模式頻繁切換,另外,一般高頻開關電源占空比設計在0.1~0.9之間,因此本文選取Vth為4 V。輸入電壓分為三個區間:[8,24]、[24,32]、[32,60],分別對應著Boost、Buck-Boost、Buck工作模式。

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    圖6為輸入輸出電壓波形,可以看出在輸入電壓保持不變和切換時輸出電壓比較平滑,沒有出現大的波動,證明了所提多模式控制策略的正確性和電流控制與雙沿調制、移相控制相結合的有效性。

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    圖7、圖8、圖9分別為模式切換點的放大波形,輸入電壓由8 V改為24 V,變換器從升壓模式變為升降壓模式;輸入電壓由32 V改為60 V時,變換器從升降壓模式變為降壓模式。在整個輸入電壓范圍內,電感電流都能夠迅速響應輸入電壓,沒有出現較大沖擊和長時間震蕩,能快速穩定,動態響應性快,可靠性高。

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4 結論

    本文針對寬輸入全橋Buck-Boost變換器的控制策略進行了研究,提出了一種采用平均電流控制、雙沿調制和移相控制結合的多模式控制策略,不僅對電感電流進行了控制,實現工作模式之間的平滑切換,降低了輸出電壓紋波。同時,設計搭建仿真電路模型,實現了7倍寬輸入電壓范圍的DC-DC變換,驗證了所提控制策略的可行性。

參考文獻

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作者信息:

王少斌,蘇淑靖,任  婷

(中北大學 電子測試技術重點實驗室,山西 太原030051)

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