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(nèi)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(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(jié)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(diào)制控制策略，在250～500 V的輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)較高的效率，但結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計起來比較困難。文獻[6]中在雙模式的基礎(chǔ)上增加Buck-Boost模式，當輸入輸出電壓接近時，采用雙調(diào)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(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，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(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相互獨立，增加了設(shè)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(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(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(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，進而產(chǎn)生PWM驅(qū)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(guān)Q₀關(guān)斷，消除偏置電壓U_bi，開關(guān)管以移相的方式導通關(guān)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(jù)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(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(diào)節(jié)器按照升壓模式設(shè)計。采用Type-Ⅲ型補償網(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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，傳遞函數(shù)為：

    設(shè)加入補償網(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，第二個零點頻率設(shè)在系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(shè)置在大于交越頻率的1.5倍處，第二個極點設(shè)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(jù)上述設(shè)計值確定補償網(wǎng)絡(luò)中各參數(shù)的值，從而完成補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(guān)電源占空比設(shè)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(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，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(nèi)，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(jié)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(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(shè)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(shù)重點實驗室，山西 太原030051)