《电子技术应用》
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双沿调制的双管Buck-Boost变换器
2018年电子技术应用第11期
袁财源,苏淑靖
中北大学 电子测试技术重点实验室,山西 太原030051
摘要: 双管Buck-Boost变换器具有输入输出同极性、开关管应力低等优点,同步方式下开关损耗严重,非同步方式下采用交错、双沿控制方式,变换器的效率有所改善。为进一步提高双管Buck-Boost变换器的效率,提出了一种两模态双沿调制的控制策略,通过对变换器在任意占空比、任意移相情况下的开关控制方式进行详细讨论和分析,并比较四种开关方式的几个主要特性的优劣,得出两模态双沿调制的控制策略可有效降低变换器电感平均电流、减少工作的开关数量并提高效率的结论,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.0258-7998.180508
中文引用格式: 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.
英文引用格式: Yuan Caiyuan,Su Shujing. Dual-edge modulated dual-switch Buck-Boost converter[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(11):124-128.
Dual-edge modulated dual-switch Buck-Boost converter
Yuan Caiyuan,Su Shujing
National Key Laboratory of the Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China
Abstract: Dual-switch Buck-Boost has some advantages such as ground sharing between input and output, low switching device stress. Under the synchronous mode, the switch loss is serious. Under the non-synchronous mode, the efficiency of the converter is improved by using staggered or double-edge control. In order to further improve the efficiency of the dual-switch Buck-Boost converter, a two-mode dual-edge modulation control strategy is proposed. By controlling the switching mode of converter with arbitrary duty cycle and any phase shift, and discussing and analyzing in detail and comparing the advantages and disadvantages of the main characteristics of the four switching modes, it is concluded that the control strategy of the two-mode dual-edge modulation can effectively reduce the average inductor current and the ripple of the converter,and improve the efficiency. Finally, a simulation model is built ,which has verified the correctness and effectiveness of the control strategy proposed.
Key words : dual-switch Buck-Boost converter;double-edge modulation;simulation model

0 引言

    双管Buck-Boost变换器由传统的Buck变换器和Boost变换器级联简化得到,因其具有电压的输入和输出同极性、开关器件应力低、无源元件少等优点而被广泛应用于各种直流变换器当中[1],非常适合用在通信电源、光伏发电系统、燃料电池供电系统等场合。

    双管Buck-Boost变换器的控制方式灵活,主要有同步开关、非同步开关两种控制方式。前者控制方式简单,但损耗较为严重;后者主要包括交错、双沿调制,可有效提高变换器的效率[2-3]。文献[2]将双管Buck-Boost变换器应用于光伏并网,在兼顾成本和效率的前提下采用了交错控制方式;文献[3]指出在占空比相同时,双沿、交错调制方式在提高变换器的效率上效果基本一致,但两只开关管均高频工作,开关损耗较大。

    为进一步提高变换器的效率,本文基于双管Buck-Boost变换器,提出了两模态双沿调制的开关控制方式,通过独立调节两开关管实现,开关管损耗比双管同时工作时有所降低。本文分析了双管Buck-Boost变换器的工作原理;详细讨论了变换器在任意占空比、任意移相情况下的开关方式的差异,并对四种开关方式的几个主要特性进行了分析和比较,最后基于Saber软件搭建了仿真模型,验证了所提两模态双沿调制开关方式的正确性和有效性。

1 双管Buck-Boost变换器的工作原理

    双管Buck-Boost变换器拓扑如图1所示:S1和S2为开关管,D1和D2为续流二极管,L为储能电感,C为滤波电容。变换器含两个开关管,共四种工作状态:(1)S1、S2导通;(2)S1、S2截止;(3)S1导通、S2截止;(4)S1截止、S2导通。开关S1和S2的导通时刻、占空比均可相同或不同。下面首先讨论S1和S2占空比相同时的情况。

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1.1 开关管S1和S2占空比相同

    T、D分别为开关管S1、S2的开关周期(以下同)和占空比。同步开关方式下,电路稳态运行时,依据伏秒平衡,在一个开关周期内,电感电流的增加量等于减少量[4],即:

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    当Uin>Uo时(Buck模式),0<D<0.5;当Uin<Uo时(Boost模式),0.5<D<1时。在不同模式下,以开关管S1的导通时刻为基准,将开关管S2的导通时刻移相不同的相位η,则电感的电流纹波和端电压会有所不同。

    图2所示的是移相为η时变换器电感端电压和电感电流变化情况:S1、S2同时导通时,电感端电压为Uin,电感电流上升;S1、S2同时截止时,电感端电压为-Uo,电感电流下降;仅S2导通时,电感端电压为0,电感电流不变;仅S1导通时,Buck模式下(如图2(b)所示)电感端电压为Uin-Uo,电感电流上升,Boost模式下(如图2(a)所示)电感端电压为-(Uo-Uin),电感电流下降。

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    Buck模式下,移相为η时,电感电流的纹波如式(5)~式(8)所示,当η=0时:

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    结合式(5)~式(12),在输入电压变化范围为12~36 V时,电感电流脉动在不同的移相下的关系如图3所示(η18分别依次对应式(5)~式(12)的移相)。在移相0~2π过程中时,电感电流的脉动随输入均先减小后增大。其中,同步开关方式下(η/2π=0),电感电流脉动最大;当移相在η/2π=0.5时,为交错控制方式;移相在η/2π=1-D时,为双沿控制方式。交错控制与双沿控制方式的脉动曲线是一样的,其电感电流脉动最小,是占空比相同下的最高效的开关调制方式。

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1.2 开关管S1和S2占空比不同

    设d1、d2分别为开关管S1和S2的占空比(d1≠d2)。变换器稳态工作时每个开关周期内的电感伏秒面积为零[5],可得:

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    双管Buck-Boost变换器在稳态工作时,开关管的导通损耗与电感电流有效值的平方成正比,而电感电流的有效值取决于电感平均电流以及纹波。因此,减小电感平均电流和纹波有利于提高变换器的效率。电感平均电流为iL=io/(1-d2),这就要求d2越小越好[6]。以下未经说明,均有d1>d2

    在移相0~2π过程中,Buck模式下(d1+d2<1)的电感电流纹波为:

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    在开关管S1和S2占空比不同的情况下,Buck模式下d1不一定小于0.5,Boost模式下1-d2不一定小于0.5。因此,占空比不同时,不一定能够采取交错控制方式(η/2π=0.5)。而以S1的开通时刻为基准,将S2的开通时刻延迟1-d2,即能够采取双沿调制。由式(16)可以看出,双沿调制方式在最小电感电流脉动的移相条件中。

2 不同开关方式的比较

2.1 纹波比较

    开关管S1和S2占空比不同时,应尽可能减小d2。因此,Buck模式下可将d2减至零;Boost模式下,取d1=1,则1-d2=Uin/Uo。此即两模态双沿调制,为占空比不同时最高效的开关调制方式,其电感电流脉动为:

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    占空比相同的条件下,交错或双沿开关控制方式下的电感电流纹波为:

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    结合式(17)~式(19),不同开关方式下的脉动曲线如图4所示。显然,对比同步开关方式,占空比相同下的交错或双沿调制方式在减小电感电流纹波方面的效果最佳,略优于占空比不同时的两模态双沿调制方式。

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2.2 电感平均电流

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    根据式(20)~式(22),可绘制不同开关模式下的电感平均电流和输出电流的比值与输入电压的关系曲线图,如图5所示。占空比相同时的电感平均电流明显要高于两模态双沿调制下的电感电流,这会大大增加二极管、电感等元器件的损耗,不利于变换器效率的提高。

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2.3 效率比较

    相比同步方式而言,交错或双沿调制方式、两模态双沿调制方式能够更有效降低电路的损耗。占空比相同时的交错或双沿调制方式下的电感电流纹波最低,且其闭环补偿电路实现起来相对简单,稳定性高;而两模态双沿调制方式时在Uin接近Uo时需要引入相应的切换控制策略,使得控制电路实现相对复杂,成本增加,稳定性略差。两模态双沿调制方式尽管纹波稍大于交错或者双沿控制方式,但电感平均电流最低,工作开关数量最少,使得变换器总的效率有所提高[7]。对于以效率为目标的设计场合,两模态双沿调制方式较佳。

3 实验验证

    为了验证本文提出的开关控制方式,采用Saber软件搭建了12~36 V输入、24 V输出的双管Buck-Boost变换器仿真模型,其主要参数如下:(1)电感:L=0.75 mH;(2)电容:C=0.5 mF;(3)MOSFET管:irf151;(4)输入电压Uin:12~36 V;(5)输出电压Uo:24 V;(6)开关频率:f=20 kHz。

    图6是输入电压为12 V、36 V时,电路稳态工作情况下的输出电压、电感电流的波形图。其中图中右侧的0、0.5D、1-D分别表示占空比相同时的同步、交错、双沿调制方式,d1=1、d1=0分别表示占空比不同时的两模态双沿控制方式下的Boost、Buck模式。

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    Boost模式下(图6(a)),同步、交错、双沿、两模态双沿下的电感电流纹波依次为:0.524 A、0.252 A、0.257 A、0.386 A,Buck模式下(图6(b))依次为0.981 A、0.321 A、0.328 A、0.530 A。由数据可知,无论Boost模式还是Buck模式,同步开关方式下的电感电流纹波最大,交错、双沿下的电感电流纹波接近且值最小,略小于两模式双沿调制下的电感电流纹波。图6还能够表明,两模式双沿调制的平均电感电流明显小于占空比相同时的其他三种开关方式的平均电感电流。

    Saber软件具有波形计算功能,在CosmosScope下将输入电压、输入电流、输出电压、输出电流的波形拖拽出来,用波形计算器计算(输出电压*输出电流/(输入电压*输入电流))的波形并取稳定状态的平均值,即为效率值。

    图7是四种控制方式下的不同输入电压时变换器的效率曲线,可以比较得出,交错、双沿、两模式双沿调制方式下效率明显高于同步开关方式下的效率;交错、双沿调制下的效率基本相同,两模态双沿调制下的效率最高。以上结果与理论分析一致。

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4 结论

    为了实现双管Buck-Boost变换器的高效开关调制,提出了两模态双沿调制方式,通过分析和实验验证得出,相对占空比相同下的交错或双沿调制方式,两模态双沿调制尽管电感电流纹波相对大一些,但电感平均电流最低,工作时的开关数量只有一个,保证了整体损耗是更小的。同时,设计搭建了12~36 V输入、24 V输出的仿真模型,验证了提出的两模态双沿调制方式的工作原理和特性。

    理论分析和实验表明,本文所提的控制策略是一种更加高效的控制方案。

参考文献

[1] 申玮霓,王玉生,张利,等.光伏发电双管Buck-Boost电路两模式控制方法的仿真与实验研究[J].电气技术,2016(7):52-56.

[2] 肖华锋,谢少军.用于光伏并网的交错型双管Buck-Boost变换器[J].中国电机工程学报,2010,30(21):7-12.

[3] 姚川,阮新波,曹伟杰,等.双管Buck-Boost变换器的输入电压前馈控制策略[J].中国电机工程学报,2013(21):36-44,191.

[4] 任小永,唐钊,阮新波,等.一种新颖的四开关Buck-Boost变换器[J].中国电机工程学报,2008,28(21):15-19.

[5] 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.

[6] 姚川.适用于宽输入电压范围的Buck-Boost直流变换器及其控制策略的研究[D].武汉:华中科技大学,2013.

[7] 阳峰.基于双管Buck-Boost变换器的电容器充电电源研究[D].武汉:华中科技大学,2012.



作者信息:

袁财源,苏淑靖

(中北大学 电子测试技术重点实验室,山西 太原030051)