CN102857096A - 一种升降压直流变换器控制方法 - Google Patents

一种升降压直流变换器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种升降压直流变换器控制方法，属电力电子变换器技术领域。该控制方法基于升降压直流变换器实施，其包括：(1)输入电压大于(小于)输出电压时，调节S1(S3)的开关频率或开通(关断)时间调节输出电压；(2)S1、S2互补导通，S3、S4互补导通；(3)S1的开关频率达到最大值时，固定S1的开关频率，调节S1的开通时间调节输出电压；(4)S1的关断时间达到最小值时，固定S1的关断时间，调节S1的开关频率调节输出电压；(5)S3的开通时间达到最小值时，固定S3的开通时间，调节S3的开关频率调节输出电压；(6)S3的开关频率达到最大值时，固定S3的开关频率，调节S3的开通时间调节输出电压。本发明能够实现不同工作模态平滑切换且能够改善变换器变换效率。

Description

一种升降压直流变换器控制方法
技术领域
本发明属电力电子变换器技术领域，具体涉及一种升降压直流变换器控制方法。
背景技术
升降压变换器的输入电压可以大于、等于或小于输出电压，即变换器的输入电压可以在很大范围内变化，因此在新能源发电、工业生产、航空航天等领域有广泛的应用。传统的单开关管升降压变换器包括Buck/Boost、Cuk、Zeta、Sepic等多种形式，但都存在着诸如开关管电压/电流应力大、输入输出反极性、使用无源器件较多、变换效率低等缺点。附图1所示的升降压变换器由于具有输入输出电压共地、拓扑结构简洁、开关电压应力低、变换效率高等优点而获得广泛的关注。
附图1所示的升降压变换器共采用四个开关管(S1～S4)，通过控制四个开关管的导通与关断变换器可以工作于升压模式或降压模式，理想情况下，四个开关管的占空比可以在0～1之间连续变化，因此输出电压连续可调，然而，实际开关管的开通和关断都需要一定的时间，开关管的占空比无法从0～1之间连续变化，这导致升降压变换器无法在升压模式和降压模式之间平滑切换。文献“Lee Y.J.，Alireza K.，Arindam C.，et al.Digital combination of Buck and Boostconverters to control a positive Buck-Boost converter and improve the outputtransients[J].IEEE Transactions on power electronics，2009，24(5)：1267-1279.”和文献“Lee Y. J.，Alireza K.，Ali E..A compensation technique for smoothtransitions in a noninverting Buck-Boost converter[J].IEEE Transactions on powerelectronics，2009，24(4)：1002-1016.”研究了升降压变换器过渡过程的实现方式和提高平滑过渡特性的补偿措施，但控制算法非常复杂，文献“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”在两种模式的过渡过程中引入不调节的“滤波模式”，该模式下输出电压不可调节，不适合要求输出电压一直稳定调节的应用场合。文献“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.”提出了一种交错型控制方法，虽然能够实现不同工作模态的平滑切换，但电感电流纹波较大，导致电感体积较大、损耗较大。
发明内容
本发明针对上述现有升降压变换器控制方法的不足，提供一种实现简单、能够实现不同工作模态平滑切换且能够改善变换器变换效率的升降压直流变换器控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种升降压直流变换器控制方法，该控制方法基于实施的升降压直流变换由输入源(Vin)、第一至第四开关管(S1、S2、S3、S4)、电感(L)、滤波电容(Co)和负载(Ro)构成，其中：输入源(Vin)的正极连于第一开关管(S1)的漏极，输入源(Vin)的负极分别连于第二开关管(S2)的源极、第三开关管(S3)的源极、滤波电容(Co)的一端和负载(Ro)的一端，第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极和电感(L)的一端，电感(L)的另一端分别连于第三开关管(S3)的漏极和第四开关管(S4)的源极，第四开关管(S4)的漏极分别连于滤波电容(Co)的另一端和负载(Ro)的另一端；
所述升降压直流变换器控制方法如下：第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，当输入电压大于输出电压时，升降压变换器工作于降压模式，此时通过调节第一开关管(S1)的开关频率或开通时间调节输出电压，且第三开关管(S3)以固定的最小开关频率和固定的最小导通时间开关工作，当输入电压小于输出电压时，升降压变换器工作于升压模式，此时通过调节第三开关管(S3)的开关频率或开通时间调节输出电压，且第一开关管(S1)以固定的最小开关频率和固定的最小关断时间开关工作。
进一步的，在升降压变换器工作于降压模式时，若第一开关管(S1)的关断时间未达到设定的最小值，则第一开关管(S1)的开关频率固定且为最大值，此时通过调节第一开关管(S1)的开通时间来调节输出电压，输入电压减小时，增加第一开关管(S1)的开通时间，输入电压增加时，减小第一开关管(S1)的开通时间，若第一开关管(S1)的关断时间达到设定的最小值，则第一开关管(S1)的关断时间固定且为设定的最小值，此时通过调节第一开关管(S1)的开关频率来调节输出电压，输入电压减小时，减小第一开关管(S1)的开关频率，输入电压增加时，增加第一开关管(S1)的开关频率。
进一步的，升降压变换器工作于升压模式时，若第三开关管(S3)的开通时间未达到设定的最小值，则第三开关管(S3)的开关频率固定且为最大值，此时通过调节第三开关管(S3)的开通时间来调节输出电压，输入电压减小时，增加第三开关管(S3)的开通时间，输入电压增加时，减小第三开关管(S3)的开通时间，若第三开关管(S3)的开通时间达到设定的最小值，则第三开关管(S3)的开通时间固定且为设定的最小值，此时通过调节第三开关管(S3)的开关频率调节输出电压，输入电压减小时，增加第三开关管(S3)的开关频率，输入电压增加时，减小第三开关管(S3)的开关频率。
再进一步的，所述第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的开关频率均不大于设定的最大值且不小于设定的最小值。
根据上述技术方案形成的本发明具有以下优点：
(1)能够很好的完成变换器的控制，使变换器稳定工作于升压或降压模式；
(2)能够使得变换器在升压模式和降压模式之间平滑、无缝切换；
(3)通过降低开关频率的方式，能够明显改善变换器的变换效率；
(4)控制简单、易于实现。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为升降压变换器原理图；
图2为本发明实施例升降压变换器控制方法示意图；
其中，Vin为输入电压；Vo为输出电压；S1、S2、S3、S4分别为第一、第二、第三、第四开关管；L为电感；Co为滤波电容；Ro为负载；f1为第一开关管的开关频率；F1max、F1min分别为第一开关管的最高开关频率和最低开关频率；t1off为第一开关管的关断时间，T1off_min为第一开关管的最小关断时间；f3为第三开关管的开关频率；F3max和F3min分别为第三开关管的最高开关频率和最低开关频率；t3on为第三开关管的开通时间；T3on_min为第三开关管的最小开通时间。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明升降压直流变换器控制方法所针对的升降压变换器由输入源(Vin)、第一至第四开关管(S1、S2、S3、S4)、电感(L)、滤波电容(Co)和负载(Ro)构成。
其中：输入源(Vin)的正极连于第一开关管(S1)的漏极，输入源(Vin)的负极分别连于第二开关管(S2)的源极、第三开关管(S3)的源极、滤波电容(Co)的一端和负载(Ro)的一端，第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极和电感(L)的一端，电感(L)的另一端分别连于第三开关管(S3)的漏极和第四开关管(S4)的源极，第四开关管(S4)的漏极分别连于滤波电容(Co)的另一端和负载(Ro)的另一端。
基于上述升降压直流变换器，本发明提供的控制方法的控制过程如下：
(1)第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通；当输入电压大于输出电压时，升降压变换器工作于降压模式，此时通过调节第一开关管(S1)的开关频率或开通时间调节输出电压，且第三开关管(S3)以固定的最小开关频率和固定的最小导通时间开关工作；当输入电压小于输出电压时，升降压变换器工作于升压模式，此时通过调节第三开关管(S3)的开关频率或开通时间调节输出电压，且第一开关管(S1)以固定的最小开关频率和固定的最小关断时间开关工作。
(2)升降压变换器工作于降压模式时，若第一开关管(S1)的关断时间未达到设定的最小值，则第一开关管(S1)的开关频率固定且为最大值，此时通过调节第一开关管(S1)的开通时间来调节输出电压，输入电压减小时，增加第一开关管(S1)的开通时间，输入电压增加时，减小第一开关管(S1)的开通时间；若第一开关管(S1)的关断时间达到设定的最小值，则第一开关管(S1)的关断时间固定且为设定的最小值，此时通过调节第一开关管(S1)的开关频率来调节输出电压，输入电压减小时，减小第一开关管(S1)的开关频率，输入电压增加时，增加第一开关管(S1)的开关频率。
(3)升降压变换器工作于升压模式时，若第三开关管(S3)的开通时间未达到设定的最小值，则第三开关管(S3)的开关频率固定且为最大值，此时通过调节第三开关管(S3)的开通时间来调节输出电压，输入电压减小时，增加第三开关管(S3)的开通时间，输入电压增加时，减小第三开关管(S3)的开通时间，若第三开关管(S3)的开通时间达到设定的最小值，则第三开关管(S3)的开通时间固定且为设定的最小值，此时通过调节第三开关管(S3)的开关频率调节输出电压，输入电压减小时，增加第三开关管(S3)的开关频率，输入电压增加时，减小第三开关管(S3)的开关频率。
在本发明的控制方法中，第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的开关频率均不大于设定的最大值且不小于设定的最小值。
在本发明的一个具体实施例中，升降压变换器的输入电压范围为10V～60V，输出电压为24V；第一开关管(S1)和第四开关管(S4)的最高开关频率为100kHz，最低开关频率为10kHz，第一开关管(S1)的最小关断时间为0.5us，第三开关管(S3)的最小开通时间为0.5us。
采用本发明的升降压直流变换器控制方法的示意图如附图2所示。在本发明的控制方法下，升降压变换器共有四种工作模式。
(1)当输入输出电压关系满足0.95Vin＞Vo时，第一开关管(S1)以最高开关频率F1max＝100kHz运行，通过调节第一开关管的开通时间来稳定输出电压，第三开关管(S3)以固定的最小开关频率F3min＝10kHz和固定的最小导通时间T3on_min＝0.5us运行；
(2)当0.95Vin＝Vo，第一开关管(S1)的开通时间达到最小关断时间0.5us，当0.95Vin＜Vo＜Vin时，第一开关管(S1)以固定的最小关断时间T1off_min＝0.5us运行，通过调节第一开关管(S1)的开关频率f1来稳定输出电压，第三开关管(S3)仍以固定的最小开关频率F3min＝10kHz和固定的最小导通时间T3on_min＝0.5us运行；
(3)当Vin＝Vo时，第一开关管(S1)的开关频率f1达到最小开关频率F1min＝10kHz，当Vin＜Vo＜1.05Vin时，第一开关管(S1)以固定的最小开关频率F1min＝10kHz和固定的最小关断时间T1off_min＝0.5us运行，第三开关管(S3)以固定的最小开通时间T3on_min＝0.5us运行，通过调节第三开关管(S3)的开关频率f3来稳定输出电压；
(4)当Vo＝1.05Vin时，第三开关管的开关频率f3达到最高开关频率F3max＝100kHz，当Vo＞1.05Vin时，第一开关管(S1)仍以固定的最小开关频率F1min＝10kHz和固定的最小关断时间T1off_min＝0.5us运行，第三开关管(S3)以固定的最高开关频率F3max＝100kHz运行，通过调节第三开关管(S3)的开通时间t3on来稳定输出电压。
通过上述工作过程可知：由于设置了开关管的最小关断、最小开通时间，所有开关管的占空比都是连续变化的，保证任意时刻输出电压都连续可调节，保证变换器在不同的工作模式之间平滑、无缝切换，且在输入输出电压接近时，开关频率降低，从而减小变换器的开关损耗，提升变换器的效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种升降压直流变换器控制方法，该控制方法基于实施的升降压直流变换由输入源(Vin)、第一至第四开关管(S1、S2、S3、S4)、电感(L)、滤波电容(Co)和负载(Ro)构成，其特征在于，所述升降压直流变换器控制方法如下：第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，当输入电压大于输出电压时，升降压变换器工作于降压模式，此时通过调节第一开关管(S1)的开关频率或开通时间调节输出电压，且第三开关管(S3)以固定的最小开关频率和固定的最小导通时间开关工作，当输入电压小于输出电压时，升降压变换器工作于升压模式，此时通过调节第三开关管(S3)的开关频率或开通时间调节输出电压，且第一开关管(S1)以固定的最小开关频率和固定的最小关断时间开关工作。
2.根据权利要求1所述的一种升降压直流变换器控制方法，其特征在于，在升降压变换器工作于降压模式时，若第一开关管(S1)的关断时间未达到设定的最小值，则第一开关管(S1)的开关频率固定且为最大值，此时通过调节第一开关管(S1)的开通时间来调节输出电压，输入电压减小时，增加第一开关管(S1)的开通时间，输入电压增加时，减小第一开关管(S1)的开通时间，若第一开关管(S1)的关断时间达到设定的最小值，则第一开关管(S1)的关断时间固定且为设定的最小值，此时通过调节第一开关管(S1)的开关频率来调节输出电压，输入电压减小时，减小第一开关管(S1)的开关频率，输入电压增加时，增加第一开关管(S1)的开关频率。
3.根据权利要求1所述的一种升降压直流变换器控制方法，其特征在于，在升降压变换器工作于升压模式时，若第三开关管(S3)的开通时间未达到设定的最小值，则第三开关管(S3)的开关频率固定且为最大值，此时通过调节第三开关管(S3)的开通时间来调节输出电压，输入电压减小时，增加第三开关管(S3)的开通时间，输入电压增加时，减小第三开关管(S3)的开通时间，若第三开关管(S3)的开通时间达到设定的最小值，则第三开关管(S3)的开通时间固定且为设定的最小值，此时通过调节第三开关管(S3)的开关频率调节输出电压，输入电压减小时，增加第三开关管(S3)的开关频率，输入电压增加时，减小第三开关管(S3)的开关频率。
4.根据权利要求1所述的一种升降压直流变换器控制方法，其特征在于，所述第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的开关频率均不大于设定的最大值且不小于设定的最小值。
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