0 引言

    隨著能源日益緊張,，綠色環(huán)保、節(jié)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(tǒng)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(wěn)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(fā)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(lián)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(yōu)點,。然而，Boost模式存在右半平面零點,，限制了變換器動態(tài)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(xiàn)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(xiàn)Buck、Boost模式之間平衡切換,，但使用電壓型控制,，動態(tài)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(tài)響應,，但在輸入輸出電壓接近時輸出紋波較大,，系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)復雜性,，并且容易產生抖振，影響系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)的動態(tài)響應，實現(xiàn)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(xiàn)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V_in與輸出電壓V_out之間關系為：

    根據上式可知,，F(xiàn)BBB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(tài),，如表1所示。采取級聯(lián)型工作模式,，模態(tài)1和模態(tài)2構成降壓(Buck)工作模式,，模態(tài)2和模態(tài)4構成升壓(Boost)工作模式,，模態(tài)2和模態(tài)3構成升降壓(Buck-Boost)工作模式。

    假設i_L0為各模態(tài)中電感電流的起始值,，i_Ln(n=1,，2，3)為各模態(tài)中電感電流的末值,，t_mn(n=1,，2，3)為各模態(tài)的持續(xù)時間,，模態(tài)1中功率管Q1,、Q3導通，形成V1-Q1-L-Q3-V0閉合回路,，此模態(tài)持續(xù)時間為t_m1,，電感電流變化量為i_L1-i_L0，則電感電流與輸入輸出電壓之間關系為：

    同理,，模態(tài)2,、模態(tài)3和模態(tài)4中電感電流與電壓之間關系分別為：

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V_in,、輸出電壓V_out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(tǒng)穩(wěn)定性差,。為此，在輸出電壓V_out附近的一段區(qū)間引入Buck-Boost模式,，其區(qū)間長度為2V_th,。FBBB變換器多模式控制策略如圖2和圖3所示，當V_in>V_out+V_th,、V_in<V_out-V_th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U_bo、調制信號U_bu和鋸齒波載波比較,，進而產生PWM驅動信號,，當V_out-V_th<V_in<V_out+V_th時，變換器工作在Buck-Boost工作模式,，開關Q₀關斷,，消除偏置電壓U_bi，開關管以移相的方式導通關斷,，進而實現(xiàn)多模式之間的平衡切換,，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,。

    根據文獻[9]、[10]可知,，F(xiàn)BBB變換器的Buck,、Buck-Boost、Boost模式控制傳遞函數(shù)分別為：

    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(tǒng)控制框圖如圖4所示,，G_v(s),、G_i(s)分別為電流控制器矯正傳遞函數(shù)，G_c(s)為PWM調制器傳遞函數(shù),，G_id(s),、G_vd(s)分別為控制-輸出電流開環(huán)傳遞函數(shù)、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(shù),。

    由式(2),、（3）、（4）可得,，升壓和升降壓模式的傳遞函數(shù)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(jié)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(tǒng)右半平面零點進行補償,，還要使系統(tǒng)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(shù)為：

    設加入補償網絡后開環(huán)傳遞函數(shù)的交越頻率f_c為開關頻率f_s的1/10,，將第一個零點頻率設在系統(tǒng)轉折頻率的1/2～1/4之間，第二個零點頻率設在系統(tǒng)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(lián)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(shù)的值,，從而完成補償網絡的設計,，進一步提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)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(shù)如表2所示，V_th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V_th為4 V,。輸入電壓分為三個區(qū)間：[8，24],、[24,，32]、[32,，60],，分別對應著Boost、Buck-Boost,、Buck工作模式,。

    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(xiàn)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,。

    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?yōu)樯祲耗Ｊ剑惠斎腚妷河?2 V改為60 V時,，變換器從升降壓模式變?yōu)榻祲耗Ｊ?。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(xiàn)較大沖擊和長時間震蕩,，能快速穩(wěn)定，動態(tài)響應性快,，可靠性高,。

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(xiàn)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(xiàn)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,。

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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)