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(shí)間內(nèi)全球所提倡的重要主題,，但由于實(shí)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單,，開關(guān)管應(yīng)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(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時(shí),，工作在降壓(Buck)模式;當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時(shí),，工作在升壓(Boost)模式^[5-6]。這種控制方式結(jié)合了Buck,、Boost變換器的電流脈動小,、效率高的優(yōu)點(diǎn)。然而,，Boost模式存在右半平面零點(diǎn),，限制了變換器動態(tài)響應(yīng)，且輸入電壓與輸出電壓接近時(shí),，變換器不斷切換工作模式使得輸出紋波較大,。文獻(xiàn)[5]提出了一種隔離型Buck-Boost拓?fù)洌捎?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/雙沿調(diào)制" target="_blank">雙沿調(diào)制控制策略,，在250～500 V的輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的效率，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，設(shè)計(jì)起來比較困難,。文獻(xiàn)[6]中在雙模式的基礎(chǔ)上增加Buck-Boost模式，當(dāng)輸入輸出電壓接近時(shí),，采用雙調(diào)制單載波方式實(shí)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(yīng)性能差,。文獻(xiàn)[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(yīng),，但在輸入輸出電壓接近時(shí)輸出紋波較大,，系統(tǒng)穩(wěn)定性差,。文獻(xiàn)[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(fù)雜性,，并且容易產(chǎn)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(jù)輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系確定變換器的工作模式,，采用平均電流控制與雙沿調(diào)制、移相控制相結(jié)合的方式,，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),，實(shí)現(xiàn)多模式之間平滑切換，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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?fù)淙鐖D1所示,，該變換器可以實(shí)現(xiàn)輸入到輸出同相的升降壓變換，功率管Q₁,、Q₂構(gòu)成Buck單元,，定義該單元占空比為d₁；功率管Q₃,、Q₄構(gòu)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(jù)電感伏秒平衡,，可得輸入電壓V_in與輸出電壓V_out之間關(guān)系為：

    根據(jù)上式可知,，F(xiàn)BBB變換器的增益只和占空比d₁、d₂有關(guān),，且d₁,、d₂相互獨(dú)立，增加了設(shè)計(jì)自由度,。由于橋臂上下功率管不能同時(shí)導(dǎo)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(gòu)成降壓(Buck)工作模式，模態(tài)2和模態(tài)4構(gòu)成升壓(Boost)工作模式,，模態(tài)2和模態(tài)3構(gòu)成升降壓(Buck-Boost)工作模式,。

    假設(shè)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(shí)間,，模態(tài)1中功率管Q1、Q3導(dǎo)通,，形成V1-Q1-L-Q3-V0閉合回路,，此模態(tài)持續(xù)時(shí)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(guān)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(guān)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(shí)實(shí)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(dāng)V_in>V_out+V_th,、V_in<V_out-V_th時(shí)，變換器分別工作在Buck工作模式,、Boost工作模式,，開關(guān)Q₀閉合，通過調(diào)制信號U_bo,、調(diào)制信號U_bu和鋸齒波載波比較,，進(jìn)而產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，當(dāng)V_out-V_th<V_in<V_out+V_th時(shí),，變換器工作在Buck-Boost工作模式,，開關(guān)Q₀關(guān)斷，消除偏置電壓U_bi,，開關(guān)管以移相的方式導(dǎo)通關(guān)斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多模式之間的平衡切換,，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,。

    根據(jù)文獻(xiàn)[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(bǔ)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(yīng)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(diào)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(fù)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(diǎn),，且升壓模式右半平面的零點(diǎn)小于升降壓模式,，所以升降壓模式的電流調(diào)節(jié)器按照升壓模式設(shè)計(jì)。采用Type-Ⅲ型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為電流控制器矯正,，不僅要對系統(tǒng)右半平面零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示,，傳遞函數(shù)為：

    設(shè)加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后開環(huán)傳遞函數(shù)的交越頻率f_c為開關(guān)頻率f_s的1/10，將第一個零點(diǎn)頻率設(shè)在系統(tǒng)轉(zhuǎn)折頻率的1/2～1/4之間,，第二個零點(diǎn)頻率設(shè)在系統(tǒng)轉(zhuǎn)折頻率的1/2～1之間,。同時(shí)為了抑制高頻噪聲，需要把第一個極點(diǎn)頻率設(shè)置在大于交越頻率的1.5倍處,，第二個極點(diǎn)設(shè)置在輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)帶來的高頻零點(diǎn)附近,。根據(jù)上述設(shè)計(jì)值確定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中各參數(shù)的值，從而完成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),，進(jìn)一步提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度,。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為驗(yàn)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(yīng)該稍大一點(diǎn),，以避免工作模式頻繁切換，另外,，一般高頻開關(guān)電源占空比設(shè)計(jì)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(yīng)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(shí)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(diào)制,、移相控制相結(jié)合的有效性,。

    圖7、圖8,、圖9分別為模式切換點(diǎn)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?；輸入電壓?2 V改為60 V時(shí),，變換器從升降壓模式變?yōu)榻祲耗Ｊ健Ｔ谡麄€輸入電壓范圍內(nèi),，電感電流都能夠迅速響應(yīng)輸入電壓,，沒有出現(xiàn)較大沖擊和長時(shí)間震蕩，能快速穩(wěn)定,，動態(tài)響應(yīng)性快,，可靠性高。

4 結(jié)論

    本文針對寬輸入全橋Buck-Boost變換器的控制策略進(jìn)行了研究,，提出了一種采用平均電流控制,、雙沿調(diào)制和移相控制結(jié)合的多模式控制策略，不僅對電感電流進(jìn)行了控制,，實(shí)現(xiàn)工作模式之間的平滑切換,，降低了輸出電壓紋波。同時(shí)，設(shè)計(jì)搭建仿真電路模型,，實(shí)現(xiàn)了7倍寬輸入電壓范圍的DC-DC變換，驗(yàn)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(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)