一种通过占空比偏置控制Buck-Boost变换器运行模式的方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种通过占空比偏置控制buck-boost变换器运行模式的方法。

背景技术

双管buck-boost变换器具有输入输出电压同极性和升降压特性，适用作宽输入电压的两级式变换器的前级直流变换。从控制模式上讲，主要有两种：一种工作模式是单模式工作模式，即将具有双管的buck-boost变换器进行统一建模，采用统一的占空比进行控制(并且两管的驱动信号可以同步也可存在一定的相位差)。但是这种工作模式或者存在电感电流纹波相对较大，或者存在电感电流平均值较高的问题。另一种是双模式工作模式，即根据输入直流电压的大小，buck-boost变换器可以分别运行在buck模式(降压模式)和boost模式(升压模式)。在传统的应用方案中，一般通过控制系统检测到的输入电压的大小来决定系统运行在何种模式，车载两种模式之间存在如何实现平滑切换的问题。

综上所述，现有技术中存在电感电流纹波相对较大，电感电流平均值较高，双管工作效率低等问题。

技术实现要素：

本发明提供的是一种通过占空比偏置控制buck-boost变换器运行模式的方法，可以保证buck-boost变换器在所允许的输入电压变化范围内时刻处于单管降压或单管升压的工作模式。可以使变换器获得相对双管工作模式获得更高的效率。

一种通过占空比偏置控制buck-boost变换器运行模式的方法，包括以下步骤：

定义buck-boost变换器两个开关管工作允许的最小和最大占空比分别为dmin和dmax；

根据输入侧直流电源电压变化的范围和期望的输出电压值，确定buck-boost变换器在输入电压变化范围可处于单管buck降压运行的占空比偏置信号c1；

根据输入侧直流电源电压变化的范围和期望的输出电压值，确定buck-boost变换器在输入电压变化范围可处于单管boost升压运行的占空比偏置信号c2；

根据满足单管buck和单管boost条件下获得的两个偏置信号c1、c2，取其最大值作为buck-boost变换器的占空比偏置信号c；

在控制系统中产生一列锯齿载波cw，根据输出电压指令vo*与通过电压传感器vs检测到的实际电压vo之差被送入电压调节器gv运算而得到占空比控制信号d；

对控制信号d施加正偏置c得到d1＝d+c。对控制信号d施加负偏置c得到d2＝d-c；

利用锯齿载波cw对d1和d2进行调制，得到分别驱动开关管s1和s2的脉冲信号。

所述定义buck-boost变换器两个开关管工作允许的最小和最大占空比分别为dmin和dmax，包括：

其中，d1为s1管的占空比，d2为s2管的占空比。当管子的实际占空比大于dmax时管子将处于全部导通状态，占空比为1；当管子的实际占空比小于dmin时管子将处于全部关断状态，占空比为0。

所述根据输入侧直流电源电压变化的范围和期望的输出电压值，确定buck-boost变换器在输入电压变化范围可处于单管buck降压运行的占空比偏置信号c1，包括：

若buck-boost变换器处于单管buck模式，即s1斩波、s2关闭，则在其电感电流il连续的情况下有

根据上述方程组可得到以下两个不等式方程组

控制器输出需满足

d＜min(0.5,dmin+c1,dmax-c1)

其中，vo为电压传感器vs检测到的实际电压，vinmax为其前端直流电源的电压最大值，d为输出电压指令vo*和通过电压传感器vs检测到的实际电压vo之差，dmax为最大占空比，dmin为最小占空比，c1为buck-boost变换器在输入电压变化范围可处于单管buck降压运行的占空比偏置信号。

所述根据输入侧直流电源电压变化的范围和期望的输出电压值，确定buck-boost变换器在输入电压变化范围可处于单管boost升压运行的占空比偏置信号c2，包括：

若buck-boost变换器处于单管boost模式，即s2斩波、s1导通，则在其电感电流il连续的情况下有

根据上述方程组可得到以下两个不等式方程组

控制器输出需满足

d＞max(0.5,dmin+c2,dmax-c2)

其中，vo为电压传感器vs检测到的实际电压，vinmin为其前端直流电源的电压最小值，d为输出电压指令vo*和通过电压传感器vs检测到的实际电压vo之差，dmax为最大占空比，dmin为最小占空比，c2为buck-boost变换器在输入电压变化范围可处于单管boost升压运行的占空比偏置信号。

所述根据满足单管buck和单管boost条件下获得的两个偏置信号，取其最大值作为buck-boost变换器的占空比偏置信号c，包括：

占空比偏置信号为

将c取为

其中，c为c1和c2之间的最大值，vinmin为其前端直流电源的电压最小值，vo为电压传感器vs检测到的实际电压，dmax为最大占空比，dmin为最小占空比。

本发明的有益效果在于：

可以保证buck-boost变换器的双管在控制系统达到稳态后只有一个管子处于斩波状态，因而可以使变换器相对于双管单模式运行获得较高的效率。

附图说明

图1是一种通过占空比偏置控制buck-boost变换器运行模式的方法流程图。

图2是buck-boost变换器的主电路图。

图3是buck-boost变换器两个开关管占空比的控制策略图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

附图2中为专利所述的buck-boost变换器的主电路。其前端直流电源的电压为vin，直流电源输出电流为iin，并联在直流电源两端的电容c1用于稳定直流电源的输出。电容c1与直流电源正极连接的一端连接开关管s1，称为buck管，buck管的另一端连接二极管d1的阴极，如附图1所标注的a点。d1的另一端连接直流电源的负极。a点再与电感l的一端连接，电感l的另一端，即附图1中的b点，连接开关管s2，称为boost管，boost管的另一端连接直流电源的负极。b点又连接了二极管d2的阳极，d2的阴极连接电容c2的一端，c2的另一端连接直流电源的负极。电容c2即为buck-boost变换器的输出滤波电容。

附图3为专利所述buck-boost变换器双管的占空比控制策略(以电压单闭环控制为例)。输出电压指令vo*与通过电压传感器vs检测到的实际电压vo之差被送入电压调节器gv运算而得到控制信号d，将d加上一个偏置信号c得到占空比控制信号d1＝d+c；同时，将d减去一个偏置信号c得到占空比控制信号d2＝d-c；用高频锯齿载波cw分别对d1与d2进行调制。将对d1调制所得到的脉冲信号用于驱动s1管，将对d2调制所得到的脉冲信号用于驱动s2管。若d1数值高于载波cw的幅值则s1始终处于导通状态，s2斩波，变换器处于升压变换状态；若d2数值低于0，s2始终处于关断状态，s1斩波，变换器处于降压变换状态。

本发明提供的是一种通过施加合理的占空比偏置实现buck-boost变换器双模式运行的占空比偏置设计方法。该方法针对双管buck-boost变换器，通过控制器输出的占空比控制信号(d)中分别加上和减去一个相同的偏置量(c)，并将所获得的实际占空比信号(d1＝d+c)用于buck管的驱动，将(d2＝d-c)用于boost管的驱动。并且占空比信号d1和d2错开180°相位。本专利提出了在特定的输入电压变化范围内占空比偏置c的设计方法，以保证buck-boost变换器的可根据输入电压的变化自适应的工作在单管buck(降压)模式或者单管boost(升压)模式。由于始终处于单管工作模式，因此相对于双管工作模式整个变换器的效率会有较明显的提高。

一种通过占空比偏置控制buck-boost变换器运行模式的设计方法，其特征是：

(1)通过在buck-boost变换器控制器输出的占空比控制信号(d)中分别加上和减去一个相同的偏置量(c)，并将所获得的实际占空比信号(d1＝d+c)用于buck管的驱动，将(d2＝d-c)用于boost管的驱动。如此在保证偏置量c合理设置的情况下可以实现buck-boost变换器根据输入电压的变换，自适应的运行在单管buck或者单管boost模式下。

(2)本专利提出了在特定的输入电压变化范围内占空比偏置c的设计方法，可以保证buck-boost变换器的双管在控制系统达到稳态后只有一个管子处于斩波状态，因而可以使变换器相对于双管单模式运行获得较高的效率。

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种通过占空比偏置控制buck-boost变换器运行模式的设计方法。

双管buck-boost变换器具有输入输出电压同极性和升降压特性，适用作宽输入电压的两级式变换器的前级直流变换。从控制模式上讲，主要有两种：一种工作模式是单模式工作模式，即将具有双管的buck-boost变换器进行统一建模，采用统一的占空比进行控制(并且两管的驱动信号可以同步也可存在一定的相位差)。但是这种工作模式或者存在电感电流纹波相对较大，或者存在电感电流平均值较高的问题。另一种是双模式工作模式，即根据输入直流电压的大小，buck-boost变换器可以分别运行在buck模式(降压模式)和boost模式(升压模式)。在传统的应用方案中，一般通过控制系统检测到的输入电压的大小来决定系统运行在何种模式，车载两种模式之间存在如何实现平滑切换的问题。本专利所提的方法在一定程度上可以改善双模式运行存在的问题。

本发明提供的是一种通过占空比偏置控制buck-boost变换器运行模式的设计方法，具体包括：

提出一种通过合理设置占空比偏置控制buck-boost变换器运行模式的占空比偏置设计方法，可以保证buck-boost变换器在所允许的输入电压变化范围内时刻处于单管降压或单管升压的工作模式。可以使变换器获得相对双管工作模式获得更高的效率。

本发明的主要贡献和特点在于：

(1)通过在buck-boost变换器控制器输出的占空比控制信号(d)中分别加上和减去一个相同的偏置量(c)，并将所获得的实际占空比信号(d1＝d+c)用于buck管的驱动，将(d2＝d-c)用于boost管的驱动。如此在保证偏置量c合理设置的情况下可以实现buck-boost变换器根据输入电压的变换，自适应的运行在单管buck或者单管boost模式下。

(2)本专利提出了在特定的输入电压变化范围内占空比偏置c的设计方法，可以保证buck-boost变换器的双管在控制系统达到稳态后只有一个管子处于斩波状态，因而可以使变换器相对于双管单模式运行获得较高的效率。

结合附图1，本发明的目的是这样实现的：

附图2中为专利所述的buck-boost变换器的主电路。其前端直流电源的电压为vin，直流电源输出电流为iin，并联在直流电源两端的电容c1用于稳定直流电源的输出。电容c1与直流电源正极连接的一端连接开关管s1，称为buck管，buck管的另一端连接二极管d1的阴极，如附图1所标注的a点。d1的另一端连接直流电源的负极。a点再与电感l的一端连接，电感l的另一端，即附图1中的b点，连接开关管s2，称为boost管，boost管的另一端连接直流电源的负极。b点又连接了二极管d2的阳极，d2的阴极连接电容c2的一端，c2的另一端连接直流电源的负极。电容c2即为buck-boost变换器的输出滤波电容。

附图3为专利所述buck-boost变换器双管的占空比控制策略(以电压单闭环控制为例)。输出电压指令vo*与通过电压传感器vs检测到的实际电压vo之差被送入电压调节器gv运算而得到控制信号d，将d加上一个偏置信号c得到占空比控制信号d1＝d+c；同时，将d减去一个偏置信号c得到占空比控制信号d2＝d-c；用高频锯齿载波cw分别对d1与d2进行调制。将对d1调制所得到的脉冲信号用于驱动s1管，将对d2调制所得到的脉冲信号用于驱动s2管。

若d1数值高于载波cw的幅值则s1始终处于导通状态，s2斩波，变换器处于升压变换状态；若d2数值低于0，s2始终处于关断状态，s1斩波，变换器处于降压变换状态。

附图1为专利所述buck-boost变换器的主电路。

附图2为专利所述buck-boost变换器两个开关管占空比的控制策略。

对专利所述一种通过占空比偏置控制buck-boost变换器运行模式的设计方法的执行流程说明如下。

(1)定义buck-boost变换器两个开关管工作允许的最大和最小占空比分别为dmin和dmax，并且满足

其中，d1为s1管的占空比，d2为s2管的占空比。当管子的实际占空比大于dmax时管子将处于全部导通状态，及占空比为1；当管子的实际占空比小于dmin时管子将处于全部关断状态，及占空比为0。

(2)根据输入侧直流电源电压变化的范围和期望的输出电压值，确定buck-boost变换器在输入电压变化范围可处于单管buck降压运行的占空比偏置信号c。过程如下：

根据附图1，若buck-boost变换器处于单管buck模式(s1斩波，s2关闭)，则在其电感电流il连续的情况下有

根据(1)可得到两个不等式方程组(2)和(3)

根据(2)可得此时控制器输出需满足

d＜min(0.5,dmin+c,dmax-c)(4)

根据(3)可得

(3)根据输入侧直流电源电压变化的范围和期望的输出电压值，确定buck-boost变换器在输入电压变化范围可处于boost升压运行的占空比偏置信号c。过程如下：

根据附图1，若buck-boost变换器处于单管boost模式(s2斩波，s1始终处于导通状态)，则在其电感电流il连续的情况下有

根据(6)可得到两个不等式方程组(7)和(8)

根据(7)可得此时控制器输出需满足

d＞max(0.5,dmin+c,dmax-c)(9)

根据(8)可得

(4)联立(5)和(10)得到占空比偏置信号为

一般将c取为

(5)在控制系统中产生锯齿载波cw。

(6)根据电压传感器检测到的输出电压，计算电压控制偏差，并送入电压控制器gv进行运算，得到控制信号d。

(7)对控制信号d施加正偏置c得到d1＝d+c。对控制信号d施加负偏置c得到d2＝d-c。

(8)利用锯齿载波cw对d1和d2进行调制，得到分别驱动开关管s1和s2的脉冲信号。

若没有达到期望的控制效果，则返回(1)-(8)中相应的设计步骤，直到获得满意的实际结果。