四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法技术

本发明专利技术公开了一种四管Buck‑Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，属于电能变换装置的直流‑直流变换器领域。该方法通过改变开关频率控制电感电流最小值不变，使得变换器在全负载范围内实现软开关。采用电压外环与电流内环结合的双闭环控制策略进行PWM调制，在宽输入电压范围内调整变换器主功率管的PWM，达到调节Buck单元和Boost单元占空比的目的，从而控制输出电压。采用三模式控制方法，通过对输入、输出电压采样比较选择主电路的工作模式。本发明专利技术实现了适应变换器宽电压范围输入，并用最小电感电流控制与变频控制相结合，在全负载范围内实现软开关，大幅降低变换器的开关损耗。

Three mode soft switching control method for four transistor Buck-Boost converter

【技术实现步骤摘要】
四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法
本专利技术涉及一种四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，属于电能变换装置的直流-直流变换器领域。
技术介绍
电推进作为一种先进的空间推进技术，由于其高比冲、寿命长的优势，在轨道转移、深空探测等领域存在广阔的应用前景。电源处理单元(PowerProcessingUnit，PPU)是电推进系统的重要组成部分，其输出电压和输出功率决定了推力器的主要性能，高效率、高功率密度和高压大功率输出成为未来PPU的发展方向。为了适应电力推进系统中PPU的宽输入电压范围的需求，对宽输入范围的升降压变换器研究具有重要意义。相较于传统的非隔离型升降压变换器(Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC)而言，四管Buck-Boost变换器具有功率器件电压应力低、无源元件数量少、输入输出电压同极性等优点，因此在需要高效率高功率密度应用场合，该拓扑具有绝对的优势。另外，四管Buck-Boost变换器有Buck单元对应占空比及开关频率、Boost单元对于占空比及开关频率、两开关管开通时刻之间移相角等多个自由度，为其优化控制提供了可能性及挑战。为了进一步减小无源元件体积，提升变换器功率密度，需要提高其开关频率，但高频硬开关不仅开关损耗大，而且会产生电磁干扰，影响变换器正常工作，因此需要实现软开关。为了充分发挥四管Buck-Boost变换器的优势，利用变换器Buck单元和Boost单元的占空比来调节输入电压与输出电压之间的关系，以适应输入电压宽范围变化的要求；并且对控制策略进一步优化，利用开关频率这一自由度来实现软开关，使变换器达到高效率、高功率密度的目标。
技术实现思路
为满足航空电推进系统中PPU单元高性能的要求，本专利技术提出了一种四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，可以在满足宽输入电压范围要求的同时提高变换器效率和功率密度。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，包括如下步骤：(1)采用三模式控制方法，将输入电压与设定输出电压值进行采样比较，依据比较结果选择主电路的工作模式；(2)依据三种模式下输入电压与输出电压之间的关系，采样输出电压和电感电流，通过电压外环和电流内环调节PWM，控制Buck单元和Boost单元的占空比；(3)采用最小电感电流控制和变频控制方法，在不同负载条件下，得到电感电流最小值与变换器开关频率之间的关系；调节三角载波的频率来调节变换器开关频率，控制电感电流最小值不变，降低电感电流脉动。步骤(1)的具体过程如下：所述将输入电压与设定输出电压值进行采样比较，依据比较结果选择主电路的工作模式具体如下：当输入电压Vin低于Vo-ΔV时，变换器工作于Boost模式；当Vin高于Vo+ΔV时，变换器工作于Buck模式；当Vin位于[Vo-ΔV，Vo+ΔV]区域时，变换器工作于Buck-Boost模式。步骤(2)所述三种模式下输入电压与输出电压之间的关系如下：其中：Vin为输入电压，Vo为输出电压，ΔV为设定电压值，d1为开关管Q1的占空比，d2为开关管Q4的占空比。步骤(2)的具体过程如下：采样输出电压送入电压环，电压环输出作为电流环基准，采样电感电流与电流环基准比较产生PWM调制基准，得到调制波；调制波与三角载波交截，产生4路PWM分别供给4个开关管，控制Buck单元和Boost单元占空比，进而控制输出电压。步骤(3)的具体过程如下：选定最小电感电流为开关管Q1、Q4在死区时间内刚好完成结电容充放电所需的最小电流值；采样电感电流，在Buck模式下电感电流平均值即为负载电流有效值，在Boost模式、Buck-Boost模式下电感电流平均值即为负载电流有效值与开关管Q4关断占空比之比；根据电感电流平均值和选定的电感电流最小值确定电感电流脉动量；采样输入、输出电压，结合电感电流脉动量即确定三角波的频率，也即通过改变三角波的频率来改变开关频率，可控制电感电流最小值不变，实现软开关的同时减小电感电流脉动量。本专利技术的有益效果如下：1、满足了变换器宽输入电压范围的要求，实现了升压和降压功能。2、变换器能全负载范围内实现软开关，且在Buck模式和Boost模式下电感电流脉动最小，能够有效减少变换器的开关损耗和导通损耗，提高效率及功率密度。3、通过三模式控制策略，解决了输入输出电压接近时，变换器在Buck模式和Boost模式间频繁切换的问题。附图说明图1为本专利技术四管Buck-Boost变换器三模式变频控制原理框图，其中：Vin为输入电压；Q1--Q4为功率开关管；L为变换器的电感；C为变换器的输出滤波电容；R为电阻，Vo为输出电压；Hv为输出电压采样系数；Z1--Z3为运算放大器输入端阻抗；vin_samp为输入电压采样信号；vo_samp为输出电压采样信号；iL_samp为电感电流采样信号；Vo_ref为输出电压基准信号；vea为输出信号；vbias为偏置电压；ve_buck为开关管Q1和Q2的调制信号；ve_boost为开关管Q3和Q4的调制信号；vsaw为三角载波信号；vmode为模式选择信号；Imin为电感电流最小值；vf为调频信号，CR表示电流调节器，VR表示电压调节器。图2为本专利技术四管Buck-Boost变换器的电路拓扑，其中：Vin为输入电压；Q1--Q4为功率开关管；D1--D4为开关管Q1--Q4等效的反并联二极管；C1--C4为开关管Q1--Q4的结电容；L为变换器的电感；C为变换器的滤波电容；v1为开关管Q1漏源极两端的电压；v2为开关管Q4漏源极两端的电压；Vo为输出电压。图3为本专利技术四管Buck-Boost变换器工作于Buck模式的工作波形，其中：PWM1为功率开关管Q1的驱动波形；PWM4为功率开关管Q4的驱动波形。图4为本专利技术四管Buck-Boost变换器工作于Boost模式的工作波形，其中：PWM1为功率开关管Q1的驱动波形；PWM4为功率开关管Q4的驱动波形。图5为本专利技术四管Buck-Boost变换器工作于Buck-Boost模式的工作波形，其中：PWM1为功率开关管Q1的驱动波形；PWM4为功率开关管Q4的驱动波形。图6为本专利技术四管Buck-Boost变换器变频控制电感电流波形图。图7为本专利技术模式选择电路。具体实施方式下面结合附图对本专利技术创造做进一步详细说明。本专利技术涉及的一种四管Buck-Boost变换器的电路拓扑如图2所示，其中开关管Q1和Q2组成变换器的Buck单元，开关管Q3和Q4组成变换器的Boost单元，Q1与Q2，Q3与Q4为互补导通的功率开关管。四管Buck-Boost变换器的控制方法可以分为单模式控制、两模式控制和三模式控制。本专利技术采用三模式控制方法，控制原理框图如图1所示，其模式选择电路如图7所示，变换器分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)采用三模式控制方法，将输入电压与设定输出电压值进行采样比较，依据比较结果选择主电路的工作模式；/n(2)依据三种模式下输入电压与输出电压之间的关系，采样输出电压和电感电流，通过电压外环和电流内环调节PWM，控制Buck单元和Boost单元的占空比；/n(3)采用最小电感电流控制和变频控制方法，在不同负载条件下，得到电感电流最小值与变换器开关频率之间的关系；调节三角载波的频率来调节变换器开关频率，控制电感电流最小值不变，降低电感电流脉动。/n

【技术特征摘要】
1.一种四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用三模式控制方法，将输入电压与设定输出电压值进行采样比较，依据比较结果选择主电路的工作模式；
(2)依据三种模式下输入电压与输出电压之间的关系，采样输出电压和电感电流，通过电压外环和电流内环调节PWM，控制Buck单元和Boost单元的占空比；
(3)采用最小电感电流控制和变频控制方法，在不同负载条件下，得到电感电流最小值与变换器开关频率之间的关系；调节三角载波的频率来调节变换器开关频率，控制电感电流最小值不变，降低电感电流脉动。


2.根据权利要求1所述的四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程如下：
所述将输入电压与设定输出电压值进行采样比较，依据比较结果选择主电路的工作模式具体如下：当输入电压Vin低于Vo-ΔV时，变换器工作于Boost模式；当Vin高于Vo+ΔV时，变换器工作于Buck模式；当Vin位于[Vo-ΔV，Vo+ΔV]区域时，变换器工作于Buck-Boost模式。


3.根据权利要求1所述的四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，其特征在于，步骤(2)所述三种模式下输入电压与输出电压之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：方天治，王愿，黄鑫，蓝建宇，阮新波，沈姝衡，何小斌，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32