CN109951081A - 一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Buck端耦合电感式升降压变换电路，属于直流非隔离变换技术，在宽的输入电压范围内能够实现输出电压稳定；本发明主要利用耦合电感、三只功率开关管和三只续流二极管实现升降压功能，保证输出电压稳定。本发明中Buck端耦合电感中的电流工作在断续模式，能够实现Buck端两只功率开关管零电流开通、Buck端两个续流二极管零电流关断，消除Buck端两只二极管反向恢复问题，从而实现了软开关功能，提高了变换电路的效率；不需要均流控制，即使Buck端两个功率开关管占空比略有不同，仍然能够实现耦合电感中两个电感电流均流。本发明适用于宽输入的电动汽车、燃料电池、光伏发电和风力发电等新能源供电***等场合。

Description

一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电能变换装置中的直流非隔离变换装置，更具体地说，它涉及一种非隔离直流升降压功能的变换器。
背景技术
燃料电池供电、新能源发电(光伏发电、风力发电等)、新能源汽车等得到了大力发展。然而，在这些场合都有一个共同的特点：随着外部自然条件和使用环境的变化，它们的输出电压波动范围较大，通常无法直向负载供电。因此，需要一个宽输入电压功率变换器作为它们的后级变换器，经其稳压后再向用电设备提供高质量电能。该宽输入电压功率变换器具有升降压功能，即升降压功率变换器。
在升降压功率变换器当中，常见的有隔离型反激变换器和非隔离型单管Buck-Boost变换器、Cuk、Zeta、SEPIC变换器以及双管Buck-Boost变换器等几种。单管Buck-Boost、Cuk、Zeta和SEPIC变换器的开关管和二极管的电压应力均为输入、输出电压之和；而双管Buck-Boost变换器的开关管和二极管的电压应力分别等于输入电压和输出电压，比Buck-Buck、Cuk、Zeta和SEPIC变换器的器件电压应力低。又由于双管Buck-Boost变换器有两个功率开关管，控制自由度大，控制策略较多，所以双管Buck-Boost变换器研究和应用也常见。但是，在现有双管Buck-Boost变换器功率开关管通常工作在硬开关状态，不利于进一步提高效率和降低EMI。
本发明的目的在于解决双管Buck-Boost变换器中的Buck电路中开关管和二极管的硬开关问题，发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法，该变换器适用于电动汽车、燃料电池、直流微网以及新能源发电(光伏发电和风力发电等)***等场合。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种Buck端耦合电感式升降压变换电路，本发明提供了如下技术方案：
一种Buck端耦合电感式升降压变换电路，包括输入直流电压源、降压电路、耦合电感、升压电路和输出端滤波电容，所述输入直流电压源包括输入直流电压源Uin，输入直流电压源Uin的正极分别与第一功率开关管S1的漏极和第二功率开关管S2的漏极相连接；所述降压电路包括第一功率开关管S1、第一续流二极管D1、第二功率开关管S2、第二续流二极管D2，第一功率开关管S1的源极与第一续流二极管D1的阴极相连接，两者接头处与耦合电感中电感L1的同名端相连接，第二功率开关管S2的源极与第二续流二极管D2的阴极相连接，两者接头处与耦合电感中电感L2的同名端相连接，第一续流二极管D1的阳极和第二续流二极管D2的阳极相连接，两者接头处与输入直流电压源Uin的负极相连接；所述耦合电感包括耦合电感中电感L1、电感L2，电感L1的另一端与电感L2的另一端连接，两者接头处与第三功率开关管S3的漏极相连接；所述升压电路包括第三功率开关管S3、第三续流二极管D3、第三功率开关管S3的漏极与第三续流二极管D3阳极相连接，第三续流二极管D3的阴极与输出滤波电容C的正极相连接；第三功率开关管S3的源极与第一续流二极管D1的阳极和第二续流二极管D2的阳极接头处相连接；所述输出端滤波电容包括输出滤波电容C，输出滤波电容C的负极与第三功率开关管S3的源极相连接。
进一步地，还包括电压环控制器、电流环控制器和PWM发生器。
进一步地，以权利要求2中的输出端滤波电容C端输出电压Uout为控制对象进行控制的，其步骤如下所述：
S1:输出滤波电容C端输出电压Uout的基准信号Uoutref与输出滤波电容C端输出电压Uout的差值经电压环控制器中的电压调节器得到第一控制信号uc1；
S2：第一控制信号uc1作为电流环控制器中的电流调节器中的耦合电感电流的参考值与电感L1、L2的电流iL1、iL2之和的差值经电流环控制器中的电流调节器得到第二控制信号uc2；
S3：将第二控制信号uc2送入PWM发生器中的PWM发生器1，与载波信号Tr1产生第一功率开关管S1驱动信号Ugs1；
S4：将第二控制信号uc2送入PWM发生器中的PWM发生器2，与载波信号Tr2(与Tr1相位差180度)产生第二功率开关管S2驱动信号Ugs2；
S5：PWM发生器中第一功率开关管S1驱动信号Ugs1和第二功率开关管S2驱动信号Ugs2经过或运算器，产生第三功率开关管S3驱动信号Ugs3。
综上所述，本发明具有以下有益效果：一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法，由于采用耦合电感和交错并联Buck电路，不但实现了Buck端的两个交错并联Buck电路中开关管零电压/零电流开关、二极管零电流关断，而且实现了耦合电感中两个电感均流。一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法可采用常用的PWM控制芯片(比如UC3525等)，变换电路的效率高、控制方案简单、易于实现。
附图说明
图1为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法的电路图；
图2为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法的控制原理图；
图3为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法各个开关模态等效波形图；
图4为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法各个开关模态等效电路图；
图4(a)为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法工作模态1示意图；
图4(b)为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法工作模态2示意图；
图4(c)为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法工作模态3示意图；
图4(d)为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法工作模态4示意图；
图4(e)为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法工作模态5示意图；
图4(f)为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法工作模态6示意图；
图5为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法输入直流电压源电压Uin在20V至60V之间变化时输入直流电压源电压Uin和输出电压Uout仿真波形图；
图6为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法输入直流电压源电压Uin等于20V时驱动信号(Ugs1、Ugs2和Ugs3)、电感电流(iL1和iL2)、电感电流之和(iL1+iL2)、第一续流二极管D1电流iD1以及第二续流二极管D2电流iD2波形展开图；
图7为本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法输入直流电压源电压Uin等于60V时驱动信号(Ugs1、Ugs2和Ugs3)、电感电流(iL1和iL2)、电感电流之和(iL1+iL2)、第一续流二极管D1电流iD1以及第二续流二极管D2电流iD2波形展开图；
图中：1、输入直流电压源；2、降压电路；3、耦合电感；4、升压电路；5输出端滤波电容；6、电压环控制器；61、电压调节器；7、电流环控制器；71、电流调节器；8、PWM发生器；81、PWM发生器1；82、PWM发生器2；83或运算。
具体实施方式
各类电压、信号的说明：Uin输入直流电压源电压；Uout输出电压；uc1电压环控制器输出第一控制信号；uc2电流环控制器输出第二控制信号；Tr1锯齿载波信号1；Tr2锯齿载波信号2(与Tr1相位差180度)；L1耦合电感的电感；L2耦合电感的电感；Ugs1第一功率开关管S1驱动信号；Ugs2第二功率开关管S2驱动信号；Ugs3第三功率开关管S3驱动信号；iL1耦合电感中电感L1电流；iL2耦合电感中电感L2电流；LM是耦合电感的互感；iLM是互感LM中电流，且iLM＝iL1+iL2)；L1-LM是耦合电感中电感L1等效漏感；L2-LM是耦合电感中电感L2等效漏感；iD1第一续流二极管D1电流；iD2第二续流二极管D2电流。
实施例：
以下结合附图1-7对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参照图1-2，一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法，它包括输入直流电压源1、降压电路2、耦合电感3、升压电路4、输出端滤波电容5、电压环控制器6、电流环控制器7和PWM发生器8，其特征在于：输入直流电压源1包括输入直流电压源Uin，输入直流电压源Uin的正极分别与第一功率开关管S1的漏极和第二功率开关管S2的漏极相连接；降压电路2包括第一功率开关管S1、第一续流二极管D1、第二功率开关管S2、第二续流二极管D2，第一功率开关管S1的源极与第一续流二极管D1的阴极相连接，两者接头处与耦合电感中电感L1的同名端相连接，第二功率开关管S2的源极与第二续流二极管D2的阴极相连接，两者接头处与耦合电感中电感L2的同名端相连接，第一续流二极管D1的阳极和第二续流二极管D2的阳极相连接，两者接头处与输入直流电压源Uin的负极相连接；耦合电感3包括耦合电感中的电感L1、电感L2，电感L1的另一端与电感L2的另一端连接，两者接头处与第三功率开关管S3的漏极相连接；升压电路4包括第三功率开关管S3、第三续流二极管D3、第三功率开关管S3的漏极与第三续流二极管D3阳极相连接，第三续流二极管D3的阴极与输出滤波电容C的正极相连接；第三功率开关管S3的源极与第一续流二极管D1的阳极和第二续流二极管D2的阳极接头处相连接；输出端滤波电容5包括输出滤波电容C，输出滤波电容C的负极与第三功率开关管S3的源极相连接；电压环控制器6包括电压调节器61，输出滤波电容C端输出电压Uout的基准信号Uoutref与输出滤波电容C端输出电压Uout的差值经电压环控制器6中的电压调节器61得到第一控制信号uc1；电流环控制器7包括电流调节器71，第一控制信号uc1作为电流环控制器7中的电流调节器71中的耦合电感电流的参考值与耦合电感中电感L1、L2的电流iL1、iL2之和的差值经电流环控制器7中的电流调节器71得到第二控制信号uc2；PWM发生器8包括PWM发生器81、PWM发生器82、载波信号Tr1、载波信号Tr2、或运算器，第二控制信号uc2送入PWM发生器8中的PWM发生器81，与载波信号Tr1产生第一功率开关管S1驱动信号Ugs1，第二控制信号uc2送入PWM发生器8中的PWM发生器82，与载波信号Tr2(与Tr1相位差180度)产生第二功率开关管S2驱动信号Ugs2，PWM发生器8中第一功率开关管S1驱动信号Ugs1和第二功率开关管S2驱动信号Ugs2经过或运算器，产生第三功率开关管S3驱动信号Ugs3。
实施例2
参照图3-4，由于耦合电感的耦合系数不小于0.9，所以耦合电感互感LM比耦合电感中的两个漏感(L1-LM，L2-LM)大的多，所以两个漏感(L1-LM，L2-LM)电流(iL1，iL2)换流过程中，耦合电感的互感LM中的电流可以看成恒流源；并设耦合电感的电感L1＝L2。因此，实施例1所述的一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法的工作原理，简述如下：
1.工作模态(1)(t1-t2时间段)
如图3和图4(a)所示。在t1时刻开通第一功率开关管S1和第三功率开关管S3，在输入直流电压源电压Uin作用下，电感L1的漏感L1-LM上电流iL1线性上升，电感L2的漏感L2-LM上电流iL2线性下降，直至t2时刻电流iL2等于零，完成两个电感中电流换流。由于电感L1的漏感L1-LM的电流iL1在开通第一功率开关管S1时为零，所以第一功率开关管S1零电流开通；在t2时刻，由于电感L2的漏感L2-LM上电流iL2下降到零，所以第二续流二极管D2零电流关断，无反向恢复。输出能量由输出滤波电容C提供。
2.工作模态(2)(t2-t3时间段)
如图3和图4(b)所示。由于电感L2的漏感L2-LM上电流iL2为零，所以输入直流电压源电压Uin作用下，电感L1的漏感L1-LM上电流iL1线性上升，直至到t3时刻第一功率开关管S1和第三功率开关管S3关断为止。
3.工作模态(3)(t3-t4时间段)
如图3和图4(c)所示。从t3时刻开始在输出电压Uout作用下电感L1的漏感L1-LM上电流iL1线性下降，直至t4时刻开通第二功率开关管S2和第三功率开关管S3为止。
4.工作模态(4)(t4-t5时间段)
如图3和图4(d)所示。在t4时刻开通第二功率开关管S2和第三功率开关管S3，在输入直流电压源电压Uin作用下，电感L1的漏感L1-LM上电流iL1线性下降，电感L2的漏感L2-LM上电流iL2线性上升，直至到t5时刻电流iL1等于零，完成两个电感电流换流。由于电感L2的漏感L2-LM的电流iL2在开通第二功率开关管S2时为零，第二功率开关管S2零电流开通；在t5时刻，由于漏感L1-LM上电流iL1下降到零，所以第一续流二极管D1零电流关断，无反向恢复。
5.工作模态(5)(t5-t6时间段)
如图3和图4(e)所示。由于漏感L1-LM上电流iL1为零，所以输入直流电压源电压Uin作用下，电感L2的漏感L2-LM上电流iL2线性上升，直至到t6时刻第二功率开关管S2和第三功率开关管S3关断。
6.工作模态(6)(t6-t7时间段)
如图3和图4(f)所示，从t6时刻开始在输出电压Uout作用下，电感L2的漏感L2-LM上电流iL2线性下降，直至t7时刻开通第一功率开关管S1和第三功率开关管S3为止。从t7时刻开始进入下一个周期。
实施例3
参照图5-7。用实施例1、实施例2所述的一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法所做的主要仿真实验。
仿真参数如下：输入直流电压源电压Uin在20V—60V，输出电压Uout被控制在28.5V，第一功率开关管S1和第二功率开关管S2开关频率为50kHz，第三功率开关管S3为100kHz，耦合电感中电感L1和L2分别为24μH，耦合系数为0.9，输出滤波电容C为940μF，负载R为5.6Ω阻性负载。
图5给出了输入直流电压源电压Uin在20V—60V之间变化时输入直流源电压Uin和输出电压Uout仿真波形。可见，在输入直流源电压Uin变化时，输出电压Uout能够稳定在28.5V。在输入直流源电压Uin变化时，输出电压Uout有超调，这主要有控制***响应时间造成的，可以通过优化闭环参数和前馈控制进一步降低超调。
图6给出在输入直流电压源电压Uin等于20V时的电感L1上电流iL1、电感L2上电流iL2、电感L1和L2上电流之和iL1+iL2、第一功率开关管S1驱动信号Ugs1、第二功率开关管S2驱动信号Ugs2和第三功率开关管S3驱动信号Ugs3、第一续流二极管D1电流iD1、第二续流二极管D2电流iD2。
图7给出在输入直流电压源电压Uin等于60V时的电感L1上电流iL1、电感L2上电流iL2、电感L1和L2上电流之和iL1+iL2、第一功率开关管S1驱动信号Ugs1、第二功率开关管S2驱动信号Ugs2和第三功率开关管S3驱动信号Ugs3、第一续流二极管D1电流iD1、第二续流二极管D2电流iD2。
从图6、图7可以看出：由于电感L1的漏感L1-LM上电流iL1、电感L2的漏感L2-LM上电流iL2断续的，所以第一功率开关管S1和第二功率开关管S2实现了零电流开通，第一续流二极管D1和第二续流二极管D2也实现了零电流关断，并且即使第一功率开关管S1和第二功率开关管S2驱动信号有轻微差别，也不会影响耦合电感中电感L1的漏感L1-LM上电流iL1、电感L2的漏感L2-LM上电流iL2的均流。当第一功率开关管S1、第二功率开关管S2和第三功率开关管S3采用MOSFET功率管时，由于结电容的作用，它们能够实现零电压关断。
仿真结果表明：本发明一种Buck端耦合电感式升降压变换电路及控制方法在输入电压时能够很好地实现输出电压稳定，同时能够实现Buck端功率开关管零电流开通和续流二极管零电流关断，从而提高效率。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.一种Buck端耦合电感式升降压变换电路，包括输入直流电压源(1)、降压电路(2)、耦合电感(3)、升压电路(4)和输出端滤波电容(5)，其特征在于：所述输入直流电压源(1)包括输入直流电压源Uin，输入直流电压源Uin的正极分别与第一功率开关管S1的漏极和第二功率开关管S2的漏极相连接；
所述降压电路(2)包括第一功率开关管S1、第一续流二极管D1、第二功率开关管S2、第二续流二极管D2，第一功率开关管S1的源极与第一续流二极管D1的阴极相连接，两者接头处与耦合电感中电感L1的同名端相连接，第二功率开关管S2的源极与第二续流二极管D2的阴极相连接，两者接头处与耦合电感中电感L2的同名端相连接，第一续流二极管D1的阳极和第二续流二极管D2的阳极相连接，两者接头处与输入直流电压源Uin的负极相连接；
所述耦合电感(3)包括耦合电感中的电感L1、电感L2，电感L1的另一端与电感L2的另一端连接，两者接头处与第三功率开关管S3的漏极相连接；
所述升压电路(4)包括第三功率开关管S3、第三续流二极管D3、第三功率开关管S3的漏极与第三续流二极管D3阳极相连接，第三续流二极管D3的阴极与输出滤波电容C的正极相连接；第三功率开关管S3的源极与第一续流二极管D1的阳极和第二续流二极管D2的阳极接头处相连接；
所述输出端滤波电容(5)包括输出滤波电容C，输出滤波电容C的负极与第三功率开关管S3的源极相连接。
2.根据权利要求1所述的一种Buck端耦合电感式升降压变换电路，其特征在于：还包括电压环控制器(6)、电流环控制器(7)和PWM发生器(8)。
3.一种Buck端耦合电感式升降压变换电路的控制方法，其特征在于：是以权利要求2中的输出端滤波电容C端输出电压Uout为控制对象进行控制时，其步骤如下所述：
S1:输出滤波电容C端输出电压Uout的基准信号Uoutref与输出滤波电容C端输出电压Uout的差值经电压环控制器(6)中的电压调节器(61)得到第一控制信号uc1；
S2：第一控制信号uc1作为电流环控制器(7)中的电流调节器(71)中的耦合电感电流的参考值与电感L1、L2的电流iL1、iL2之和的差值经电流环控制器(7)中的电流调节器(71)得到第二控制信号uc2；
S3：将第二控制信号uc2送入PWM发生器(8)中的PWM发生器1(81)，与载波信号Tr1产生第一功率开关管S1驱动信号Ugs1；
S4：将第二控制信号uc2送入PWM发生器(8)中的PWM发生器2(82)，与载波信号Tr2(与Tr1相位差180度)产生第二功率开关管S2驱动信号Ugs2；
S5：PWM发生器(8)中第一功率开关管S1驱动信号Ugs1和第二功率开关管S2驱动信号Ugs2经过或运算器(83)，产生第三功率开关管S3驱动信号Ugs3。
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