CN103066842A - 非反极性Buck-Boost变换器组合调制方法 - Google Patents

非反极性Buck-Boost变换器组合调制方法 Download PDF

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任小永
阮新波
陈乾宏
李明秋
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Abstract

本发明涉及一种非反极性Buck-Boost变换器的调制方法，该方法通过配置两个主控管工作于不同的调制模式，最大程度增大Q1导通时间同时减小Q1与Q2同时导通的时间，降低电感电流脉动，提高变换器的效率。实现方式可以为（1）主控管Q1采用后沿调制，主控管Q2采用前沿调制，（2）主控管Q1采用前沿调制，主控管Q2采用后沿调制，（3）主控管Q1与Q2均采用双沿调制，且两者三角载波180度交错。该组合调制方式同样适用于带同步整流的反极性Buck-Boost变换器。

Description

非反极性Buck-Boost变换器组合调制方法
技术领域
本发明涉及一种非反极性Buck-Boost变换器的调制方法，该调制方法应用于电源系统实现高效率的升压、降压功能，属于功率电子变换技术范畴。
背景技术
在信息、通信系统应用中，直流分布式电源系统(Direct Current Distributed Power System, DC-DPS)得到了广泛的使用，最简单DC-DPS的系统架构如图1所示，其中负载点变换器（Point of Load, POL）和板载电源（On Board Power Supply, OBPS）直接将母线电压单独变换成负载需要的电压。由于负载的供电电压越来越低，而功率需求越来越大，通常会提高母线电压以减小母线上的线损。因此，即便负载之间没有电气隔离的需求，仍然需要隔离型电路拓扑来实现大幅度降压。而隔离型变换器无论是复杂程度还是成本都要比非隔离型变换器高。因此，减少系统中隔离型变换器的使用量，采用母线隔离的方式成为一种趋势。
图2给出的中间母线架构（Intermediate bus arcitecture, IBA）正是在这样应用背景中提出的，它保留了图1所示的分布式电源系统的优点，并且降低了其复杂程度和成本，同时也使得系统的功能更为强大，因此IBA-DC-DPS正逐渐成为现代信息、通信以及服务器等高性能电子设备的主要电源系统结构。IBA-DC-DPS由前端变换器（Front-end converter, FEC）、DC/DC变换器、POL、OBPS、低压VRM以及备份电池组成。由于引入了中间母线（即图中母线II），功率转换由传统的两级增加到三级。
前端变换器用于实现AC/DC变换，通常由电磁干扰（Electro-magnetic interference, EMI）滤波器、功率因数校正（Power factor correction, PFC）变换器以及DC/DC变换器组成。前端变换器大多采用N+1结构备份工作，以提高系统的可靠性、可维护性。前端变换器中DC/DC变换器用于将PFC的输出电压进行降压以获得直流母线电压I。
母线I后的DC/DC变换器用于将母线I变换成母线II，也就是中间母线，同时实现两者之间的电气隔离。因此它也被称之为中间母线变换器（Intermediate bus converter, IBC）。而POL、OBPS和低压VRM用于将中间母线电压变换到负载所需要的电压，它们通常为Buck变换器及其改进电路结构。
在系统正常工作时，由市电向负载供电。当市电故障或断电时，母线I上的备份电池承担起给负载供电的任务。由于电池的引入，母线I存在一个比较宽的输入范围。并且，在绝大多数情况下，系统工作于额定输入的状态，因此，如何提高IBC全范围的工作效率尤其是额定点的工作效率成为一个重要的研究课题。
发明内容
本发明的目的是针对电池供电场合提出基于额定输入电压优化的非反极性Buck-Boost变换器的调制方法，提出变换器中两桥臂分别采用不同的调制方式，即前沿调制、后沿调制，或交错双沿调制，藉此降低电感的电流脉动，提高变换器直接功率比重，提高变换器的效率。
本发明的目的是通过以下方式实现的：
1、一种非反极性Buck-Boost变换器的调制方法，其特征是：该方法对主控管Q1与主控管Q2分别采用以下三种方式调制；
1）当主控管Q1采用后沿调制，主控管Q2采用前沿调制；
2）当主控管Q1采用前沿调制，主控管Q2采用后沿调制；
3）主控管Q1与Q2均采用双沿调制，且两者三角载波180度交错。
通过配置两个主控管工作于不同的调制模式，最大程度增大Q1导通时间同时减小Q1与Q2同时导通的时间。
其中，主电路结构也可采用同步整流的非反极性Buck-Boost变换器。
本发明与现有技术相比主要特点如下：
两个桥臂采用不同的调制方式，根据实际需求可以工作于单模式和多模式状态，实现全输入范围的高效率变换，并保证额定输入电压范围效率最优。
附图说明
附图1原有直流分布式电源系统。
附图2现有中间母线结构的直流分布式电源系统。
附图3现有非反极性Buck-Boost变换器拓扑。
附图4传统的非反极性Buck-Boost变换器d 1= d 2时主要波形。
附图5现有非反极性Buck-Boost变换器d 1≠d 2时主要波形。
附图6本发明非反极性Buck-Boost变换器d 1≠d 2时前后沿调制主要波形。
附图7本发明非反极性Buck-Boost变换器d 1≠d 2时前后沿调制实现方法。
附图8本发明非反极性Buck-Boost变换器d 1≠d 2时交错双沿调制主要波形。
附图9本发明非反极性Buck-Boost变换器d 1≠d 2时交错双沿调制实现方法。
附图10本发明非反极性Buck-Boost变换器d 1≠d 2时后前沿调制主要波形。
附图11本发明非反极性Buck-Boost变换器d 1≠d 2时后前沿调制实现方法。
附图12采用同步整流的非反极性Buck-Boost变换器。
附图13本发明非反极性Buck-Boost变换器不同控制电感电流脉动对比。
附图14本发明非反极性Buck-Boost变换器不同控制效率对比。
图中Vac_in表示交流输入电压，Vin表示直流输出电压，Vbus、Vbus1、Vbus2表示母线电压，Vo、V1、V2、V3表示输出电压。
具体实施方式
附图3给出了非反极性Buck-Boost变换器拓扑结构。若定义Q 1、Q 2的占空比分别为d 1、d 2，则输入与输出满足
Figure 873318DEST_PATH_IMAGE002
。
定义Q 1与D 2共同导通时传递的功率为直接功率，而Q 1与Q 2共同导通的时间为间接功率。由定义可知，增加Q 1与D 2共同导通的时间（或减小Q 1与Q 2共同导通的时间）有助于提高变换器直接功率的比重，而直接功率比重越大，变换器的效率越高。从另一个角度来讲，即电感电流脉动越小，直接功率比重越大，效率越高。在常规同开同关的方式（即d 1=d 2），显然直接功率比重为0，电感电流脉动最大（如附图4）。
实施例一：前后沿调制
实际上，若是d 1≠d 2则可以增大Q 1与D 2共同导通的时间，避免直接功率为0的情况（如附图5）。而为了最大程度增大d 1、减小d 2，变换器将采用多个工作状态取代之前的单个工作状态，对于d 1=1（升压模式，等效为Boost变换器）和d 2=0（降压模式，等效为Buck变换器）这两种极端情况这里不做讨论，为了公平比较，这里仅仅讨论升降压工作模式。
为了增加Q 1与D 2共同导通的时间，本发明可以对两只主控管的驱动信号进行移相。假设Q 1的开通时刻依然位于开关周期的开始处，将Q 2的开通时刻向后移，并一直移到开关周期的结束处，如附图6所示，此时无论d 1+d 2
Figure 354240DEST_PATH_IMAGE003
1，还是d 1+d 2<1，Q 1和D 2同时导通的时间均最大，这样直接功率比重最大。
为了实现这样的控制策略，Q 1为开通时刻固定，关断时刻可调；而Q 2为关断时刻固定，开通时刻可调。前者Q 1为后沿调制方式，而后者Q 2则为前沿调制方式，本发明定义这种控制方式为前后沿调制，附图7给出的是前后沿调制方式占空比的获取方式，其中CW是载波，EA是调制波（即误差放大器的输出），两者交结产生对应占空比。
实施例二：双沿调制
在附图6的基础上，主控管Q 2的驱动信号进一步移相，即d 2进一步移相，V in ≤V o 时右移，而V in >V o 时左移，使得d 1与d 2交叠处关于中心对称，在这个移相过程中，电感电流脉动保持不变。当两者处于对称点时，此时实现方式可以同时实现双沿调制，但是两者载波存在180度相移，即所谓的交错双沿调制，如附图8，对应的占空比获取方式如附图9所示。
实施例三：后前沿调制
主控管Q 2的驱动信号进一步移相，直至d 2的前沿与d 1的后沿重合，即得到与图6关于开关周期中点对称的结构（附图10），此时d 2后沿调制，而d 1前沿调制，如附图11。
实施例四：
在电流较大场合通常会采用同步整流方式替代二极管续流（如附图12），即附图3中二极管D1和D2均被开关管Qsr1和Qsr2替代。由同步整流概念可知，Qsr1和Qsr2控制不独立，其驱动信号分别与Q1和Q2互补，此时，可以采用上述三个实施例中的任意一种调制方式。
采用三种中的任一调制方式，电感电流脉动均可实现同等占空比分配下的最小化，提高了直接功率比重，提升了变换器的效率。
本发明的具体实例如下，其主要性能参数为：
l    输入电压 V in ：48V（45~51V）；
l    输出电压 V o ：48V；
l    输出电流I o ：6.25A；
l    开关频率f s ：200kHz；
l    降频后频率f s ：40kHz。
基于上述参数采用实施方式，对效率进行的测试对比。由于电感电流脉动大幅减小，为变换器降频工作提供了可能性，可以进一步提高变换器的效率。附图13和14分别给出电感电流脉动和效率的曲线，显然所提的控制策略对于电流脉动的降低和效率的提高有明显的作用。

Claims (2)

1.一种非反极性Buck-Boost变换器的组合调制方法，其特征是：该方法对主控管Q1与主控管Q2分别采用以下三种方式调制；
1）当主控管Q1采用后沿调制，主控管Q2采用前沿调制；
2）当主控管Q1采用前沿调制，主控管Q2采用后沿调制；
3）主控管Q1与Q2均采用双沿调制，且两者三角载波180度交错。
2.根据权利要求1所述的组合调制方法，其特征是：主电路结构为同步整流的非反极性Buck-Boost变换器。
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