一种四开关制造技术

本发明专利技术属于降压

【技术实现步骤摘要】
一种四开关Buck
‑
Boost变换器的ZVS控制方法及系统


[0001]本专利技术属于降压
‑
升压变换器控制领域，具体涉及一种四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
ZVS
控制方法及系统
。

技术介绍

[0002]降压
‑
升压变换器不仅能解决输入和输出电压范围发生重叠时的电压转换，也可用作电压稳压器将不断变化的输入电压精确调节到所需更严格的限值，还可应用于冗余电源设计，从功能上能处理所有类型的电压转换，可用作实现
DC/DC
电压转换的通用工具，因此一直受到人们的关注，在新能源发电系统
、
分布式电源系统
、
储能系统
、
通信电源系统
、
电动汽车供电系统
、
便携式电子设备与射频功率放大器的供电系统等输入电压范围较宽的场合均得到应用；
[0003]如图1中所示的四开关
Buck
‑
Boost
变换器具有上述的宽电压范围升降压能力，并且与传统的
Buck
‑
Boost、Cuk、Zeta、Sepic
升降压变换器相比，具有输入输出极性相同
、
开关管电压应力低
、
无源元件少等优点；为了显著减小无功元件的尺寸和成本，提高开关频率和变换器的动态响应特性，对该拓扑的软开关控制成为研究的热点
。r/>基于是否添加辅助器件或辅助开关，非反向
Buck
‑
Boost
变换器的软开关控制方法可以分为3类：
(1)
通过添加有源辅助电路实现零电压转换控制
(Zero voltage transition,ZVT)
；
(2)
通过添加无源辅助器件实现零电压开关控制
(Zero voltage switching,ZVS)
；
(3)
不添加任何辅助器件的数字控制软开关方案
。
[0004]Waffler S
和
Kolar J W
在论文
《A novel low
‑
loss modulation strategy for high
‑
power bi
‑
directional buck+boost converters》
与
《A novel low
‑
loss modulation strategy for high
‑
power bidirectional buck+boost converters》
中提出了四边形电感电流
ZVS
控制策略
(
以下简称四边形控制方法
)
，通过在每个脉冲周期的开始和结尾提供一个负补偿电流来实现所有开关管的
ZVS
开关
。
这是一种纯数字控制的软开关方案，不需要添加任何额外的有源或无源器件，因此在保持低元件数和电力电子电路简单性的同时提高了效率；其控制时序图如图2所示
。
但论文中仅提供了稳态计算过程，缺少闭环控制策略和减小电感电流有效值的计算方案
。
[0005]Zhou Z J、Li H Y
和
Wu X K
的论文
《A constant frequency ZVS control system for the four
‑
switch buck
‑
boost dc
‑
dc converter with reduced inductor current》
中，在四边形控制方法的基础上实现了闭环控制，并提出了减小电感电流有效值的方案；在
Liu Q、Qian Q S、Zheng M
等人的论文
《An Improved Quadrangle Control Method for Four
‑
Switch Buck
‑
Boost Converter With Reduced Loss and Decoupling Strategy》
中提出了改进四边形控制方法来减小损耗并解耦补偿以提高系统的稳定性
。
但上述方案中的四边形控制方法的电感电流均存在环流续流环节，增大了电感电流有效值和变换器的通态损耗，并降低了变换器的功率传输效率；另外，各控制变量在控制过程中的值均需要离线预先计算，且控制方案执行中均需使用多维查找表和线性插值法，计算量大，导致整体控制复
杂
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
ZVS
控制方法及系统，用于解决现有的了四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
ZVS
控制方法存在环流续流环节且控制变量值均需要离线预先计算，导致电感电流有效值和变换器的通态损耗增大且整体控制复杂的问题
。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
ZVS
控制方法，所述四开关
Buck
‑
Boost
变换器包括第一
、
第二
、
第三和第四开关管以及两端分别连接在第一开关管和第三开关管之间
、
第二开关管和第四开关管之间的电感，在四开关
Buck
‑
Boost
变换器的每个开关周期内，设置通过第一
、
第二
、
第三和第四时间节点构成的三个时间段；根据四开关
Buck
‑
Boost
变换器不同的工作模式对应的通态损耗最小
ZVS
约束条件，在不同时间段内对所述电感的电流波形进行对应控制；
[0008]其中，第一
、
第四时间节点分别为开关周期的起始时刻
、
结束时刻；第二
、
第三时间节点分别为第一
、
第二开关管的切换时刻
。
[0009]上述技术方案的有益效果为：通过第一
、
第二
、
第三和第四时间节点的设计，将一个开关周期分为三段进行
ZVS
控制，去除了现有的四边形电感电流控制中的环流续流环节，显著减小电感电流有效值，提高变换器的功率传输效率；并且设置了通态损耗最小
ZVS
约束条件，从而减少变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
ZVS
控制方法，所述四开关
Buck
‑
Boost
变换器包括第一
、
第二
、
第三和第四开关管以及两端分别连接在第一开关管和第三开关管之间
、
第二开关管和第四开关管之间的电感，其特征在于，在四开关
Buck
‑
Boost
变换器的每个开关周期内，设置通过第一
、
第二
、
第三和第四时间节点构成的三个时间段；根据四开关
Buck
‑
Boost
变换器不同的工作模式对应的通态损耗最小
ZVS
约束条件，在不同时间段内对所述电感的电流波形进行对应控制；其中，第一
、
第四时间节点分别为开关周期的起始时刻
、
结束时刻；第二
、
第三时间节点分别为第一
、
第二开关管的切换时刻
。2.
根据权利要求1所述的四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
ZVS
控制方法，其特征在于，根据四开关
Buck
‑
Boost
变换器不同的工作模式对应的通态损耗最小
ZVS
约束条件，在不同时间段内对所述电感的电流波形进行对应控制的方式为：根据四开关
Buck
‑
Boost
变换器不同的工作模式对应的通态损耗最小
ZVS
约束条件，确定对应的控制变量的值；通过对控制变量进行调节，在不同时间段内对所述电感的电流波形进行对应控制
。3.
根据权利要求2所述的四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
ZVS
控制方法，其特征在于，四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
Boost
工作模式对应的通态损耗最小
ZVS
约束条件为：其中，
i
L(0)
、i
L(2)
和
i
L(3)
分别为第一
、
第三和第四时间节点对应时刻的电感电流；
I0为可完成四开关
Buck
‑
Boost
变换器的对半桥中两个开关管的输出电容充放电的最小电流；所述控制变量包括开关周期对应的开关频率以及每个开关周期内第一
、
第二开关管的触发脉冲的占空比：
f
＝
1/t3其中，
t0、t1、t2和
t3分别为第一
、
第二
、
第三和第四时间节点；
D1、D2分别为每个开关周期内第一
、
第二开关管的触发脉冲的占空比；
f
为开关周期对应的开关频率
。4.
根据权利要求2所述的四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
ZVS
控制方法，其特征在于，四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
Buck
工作模式对应的通态损耗最小
ZVS
约束条件为：其中，
i
L(0)
、i
L(1)
和
i
L(3)
分别为第一
、
第二和第四时间节点对应时刻的电感电流；
I0为可完成四开关
Buck
‑
Boost
变换器的对半桥中两个开关管的输出电容充放电的最小电流；所述控制变量包括开关周期对应的开关频率以及每个开关周期内第一
、
第二开关管的触发脉冲的占空比：
f
＝
1/t3其中，
t0、t1、t2和
t3分别为第一
、
第二
、
第三和第四时间节点；
D1、D2分别为每个开关周期内第一
、
第二开关管的触发脉冲的占空比；
f
为开关周期对应的开关频率
。5.
根据权利要求4所述的四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
ZVS
控制方法，其特征在于，四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
Buck
‑
Boost
工作模式对应的通态损耗最小
ZVS
约束条件为：
i
L(0)
＝
i
L(3)
＝
‑
I0式中，
i
L(0)
和
i
L(3)
分别为第一和第四时间节点对应时刻的电感电流；
I0为可完成四开关
Buck
‑
Boost
变换器的对半桥中两个开关管的输出电容充放电的最小电流；
f
Buck
‑
Boost
为
Buck
‑
Boost
工作模式下开关周期对应的开关频率，为与当前的
Buck
‑
Boost
工作模式在同输出功率情况下
Buck
模式中变换器的输入电压为
U
’
时对应的开关频率；其中，
U1为四开关
Buck
‑
Boost
变换器的输入电压，
U
’
为在
Buck
工作模式下的输入电压最小值，
I
out
为四开关
Buck
‑
Boost
变换器的输出电流
。6.
根据权利要求1‑5任一项所述的四开关
Buck
‑
Boost
变换器的
ZVS
控制方法，其特征在于，
Boost
工作模式和
Buck
‑
Boost
工作模式之间切换时，设置
Buck
‑
Boost
工作模式和
Boost
工作模式下
ZVS
控制中的
PI
调节器的输出满足如下条件：其中，
V
PI
‑
Buck
‑
Boost
为
Buck
‑
Boost
工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾磊磊，周涛，王贤立，
申请(专利权)人：洛阳师范学院，
类型：发明
国别省市：