CN103199698A - Buck-Boost变换器的混杂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了Buck-Boost变换器的混杂控制方法，该方法包括以下步骤：建立Buck-Boost变换器的混杂自动机模型；计算混杂控制方法的边界条件，并判断Buck-Boost变换器的具体工作模式；根据状态变量与边界条件的比较结果，由DSP输出主电路开关管的控制信号，驱动主电路工作。本发明使控制问题简化为边界选择问题，算法简单，能使Buck-Boost变换器同时工作于CCM和DCM，CCM下不再考虑其两种不同的能量传输模式，而是采用统一的边界条件，稳态开关频率不会随着负载的跳变而发生变化，CCM下电感的纹波电流恒定，且具有动态响应速度快，稳态精度高等特点。

Description

Buck-Boost变换器的混杂控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及的是Buck-Boost变换器的混杂控制方法。

背景技术

一方面，Buck-Boost变换器中主开关器件的使用使得Buck-Boost变换器的电路拓扑不再固定，而是随着开关状态的变化而变化；另一方面，Buck-Boost变换器又存在两种工作模式：电感电流连续模式（CCM）和电感电流断续模式（DCM）。而在传统控制策略的设计中，需要对两种工作模式分别建模，一是造成了Buck-Boost变换器控制策略设计的复杂性，二是Buck-Boost变换器不能同时工作于两种工作模式（CCM和DCM），即很难在大负载变化范围内稳定工作。

从本质上讲，Buck-Boost变换器是一类典型的混杂动态系统，同时存在离散和连续两个子系统。对于混杂系统模型的建立，目前常用方法中有混杂自动机模型，混杂自动机是混杂系统的一个形式化模型，由Alur等人在1993年提出（R. Alur, C. Courcoubetis, T. A.Henzinger and P.H.Ho. Hybrid Automata: An AlgorithmicApproach to the Specification and Verification of Hybrid System[C]. Lecture Notes in Computer Science. LNCS 736, Springer-Verlag, 1993, 209-229. ），以其对离散和连续混杂特性描述的直观性、可验证性，日益为人们所接受。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在上述不足，提供Buck-Boost变换器的混杂控制方法，具体技术方案如下。

Buck-Boost变换器的混杂控制方法，包括如下步骤：

（1）建立能同时工作于电感电流连续模式（CCM）和电感电流断续模式（DCM）的Buck-Boost变换器的混杂自动机模型；

（2）计算出混杂控制边界值：I_L、Δi_L/2和I_p，其中I_L为Buck-Boost变换器中电感电流的平均值，Δi_L为CCM下电感的纹波电流，I_p为DCM下电感电流的峰值；

（3）通过比较器，判断Buck-Boost变换器的工作模式：若I_L>Δi_L/2，则Buck-Boost变换器工作于CCM，反之，则工作于DCM；

（4）根据状态变量与由DSP控制计算出的边界条件的比较结果，输出主电路开关管的控制信号，驱动主电路工作。

进一步的，上述的Buck-Boost变换器的混杂控制方法中，当Buck-Boost变换器工作于CCM时，Buck-Boost变换器在q₁和q₂两种状态之间切换，若Buck-Boost变换器中电感电流i_L大于或等于I_L+Δi_L/2时，则由DSP输出控制信号使开关关断，Buck-Boost变换器由模态1（q₁）切换至模态2（q₂）；若电感电流i_L小于或等于I_L-Δi_L/2时，则由DSP输出控制信号使开关导通，Buck-Boost变换器由模态2（q₂）切换至模态1（q₁）。

进一步的，上述的Buck-Boost变换器的混杂控制方法中，当Buck-Boost变换器工作于DCM时，Buck-Boost变换器在q₁、q₂和q₃三种状态之间按顺序进行切换，若Buck-Boost变换器中电感电流i_L大于或等于I_p时，则由DSP输出控制信号使开关关断，Buck-Boost变换器由模态1（q₁）切换至模态2（q₂）；若Buck-Boost变换器中电感电流i_L等于0，则由DSP输出控制信号使开关关断，Buck-Boost变换器由模态2（q₂）切换至模态3（q₃）；若Buck-Boost变换器输出端电压v_o小于或等于输出电压期望值V_o，则由DSP输出控制信号使开关导通，Buck-Boost变换器由模态3（q₃）切换至模态1（q₁）。

进一步的，上述的Buck-Boost变换器的混杂控制方法中，步骤（1）所述混杂自动机模型包括离散过程和连续过程，其中离散过程是一个有限状态机，能根据连续过程的连续状态信号i_L和v_o来控制离散过程中不同状态之间的切换，而连续过程则接收离散过程的输出ε来激活相应的连续过程。

与现有技术相比，本发明提出了Buck-Boost变换器的混杂控制方法，使Buck-Boost变换器能同时工作于CCM和DCM，对于CCM不再考虑其两种不同的能量传输模式，而是采用统一的边界条件，且使Buck-Boost变换器的稳态开关频率不会随着负载的跳变而发生变化的混杂控制方法。该混杂控制方法将控制问题简化为边界计算和选择问题，使Buck-Boost变换器在大负载变化范围内均能正常工作，具有算法简单、动态响应速度快和稳态精度高的特点。

附图说明

图1为Buck-Boost变换器的混杂自动机模型。

图2为Buck-Boost变换器工作于CCM-CISM的电感电流和输出电压波形。

图3为Buck-Boost变换器工作于CCM-IISM的电感电流和输出电压波形。

图4为Buck-Boost变换器工作于DCM的电感电流和输出电压波形。

图5为DSP控制逻辑流程图。

图6为Buck-Boost变换器作为升压时的混杂控制结果仿真图。

图7为图6在t=0.005s时的局部放大仿真图。

图8为Buck-Boost变换器作为降压时的混杂控制结果仿真图。

图9为图8在t=0.005s时的局部放大仿真图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，但对本领域技术人员来说本发明的实施和保护不限于此。

Buck-Boost变换器是一个离散和连续相互交替、相互作用的混杂动态系统，混杂动态系统分解成连续变量动态子系统和离散动态子系统，连续变量子系统的动态特性随时间发展不断演化，离散事件子系统的动态演化受事件的驱动，二者相互作用，交替进行，在整体上呈现离散位置的迁移，局部上呈现连续状态的渐进演化，形成统一的动态系统。

根据开关和二极管的导通情况，Buck-Boost变换器有三种工作状态，q₁：开关导通，二极管截止，即模态1；q₂：开关截止，二极管导通，即模态2；q₃：开关和二极管都截止，即模态3。Buck-Boost变换器的具体工作状态由Buck-Boost变换器的混杂自动机模型的边界条件来确定，参考图1为Buck-Boost变换器的混杂自动机模型。图中，x为连续状态变量（x=(i_L, v_o)^T，其中i_L为Buck-Boost变换器主电路中电感电流的瞬时值，v_o为输出电压的瞬时值）；X为Buck-Boost变换器的连续状态空间；I_i (i∈1, 2, 3)为每一个q_i下，x的不变集合；

为Buck-Boost变换器第i个工作状态下所对应的状态方程：当i=1时，对应于q₁，其中 $A_1=\left(\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& -1/\mathrm{RC}\end{array}\right)$ ，B₁=(V_in/L0)^T，当i=2时，对应于q₂，其中 $A_2=\left(\begin{array}{cc}0& -1/L\\ 1/C& -1/\mathrm{RC}\end{array}\right)$ ，B₂=(0 0)^T，当i=3时，对应于q₃，其中 $A_3=\left(\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& -1/\mathrm{RC}\end{array}\right)$ ，B₃=(0 0)^T；G_Cij (i, j∈1, 2)为CCM下的边界条件，G_Dij (i,j∈1, 2, 3)为DCM下的边界条件；ε为离散状态的输出；∑包含δ₁、δ₂和δ₃：δ₁使开关导通，二极管截止，对应q₁的状态，δ₂使开关截止，二极管导通，对应q₂的状态，δ₃使开关和二极管都截止，对应q₃的状态。

当Buck-Boost变换器工作于CCM时，Buck-Boost变换器在q₁和q₂两种状态之间切换，边界条件分别为G_C12和G_C21，当Buck-Boost变换器工作于DCM时，Buck-Boost变换器在q₁、q₂和q₃三种状态之间按顺序进行切换，边界条件分别对应为G_D12、G_D23、G_D31。

当Buck-Boost变换器工作于CCM，根据电感电流最小值I_v与负载电流I_o的比较，将其进一步细分为两种能量传输模式：当I_v>I_o时称为电感完全供能模式（CISM）；而当I_v<I_o时称为不完全电感供能模式（IISM）。参考图2为Buck-Boost变换器工作于CCM-CISM的电感电流和输出电压波形，图3为Buck-Boost变换器工作于CCM-IISM的电感电流和输出电压波形，其中，I_v为电感电流最小值，I_o为负载电流，I_L为电感电流平均值，Δi_L为电感的纹波电流，V_o为输出电压平均值，Δv_o为输出电压纹波，T为开关管的开关周期，d为开关管的导通占空比，V_in为输入电压值，R为负载电阻值。在0≤t≤dT期间，有：

$\mathrm{\&Delta;}{i}_L=\frac{V_{\mathrm{in}}}{L}\mathrm{dT}---\left(1\right)$

对于Buck-Boost电路，输出电压和输入电压之间的关系有：

$V_o=\frac{d}{1-d}{V}_{\mathrm{in}}---\left(2\right)$

根据状态空间平均法，可知电感电流平均值I_L为：

$I_L=\frac{V_o(V_o+V_{\mathrm{in}})}{{\mathrm{RV}}_{\mathrm{in}}}---\left(3\right)$

由式（1），（2）可得：

${\mathrm{\&Delta;i}}_L=\frac{V_{\mathrm{in}}{V}_o}{L(V_{\mathrm{in}}+V_{o}f)}---\left(4\right)$

虽然CCM存在两种不同的能量传输模式，但是根据式（3）和式（4）可以用相同的边界条件进行定义：G_C12：i_L≥I_L+Δi_L/2；G_C21：i_L≤I_L-Δi_L/2。因此，Buck-Boost变换器的混杂控制方法对于CCM不再考虑其两种不同的能量传输模式，而是采用统一的边界条件，从而简化了其控制过程。

由式（4）可知，Δi_L和负载电阻R无关，即Buck-Boost变换器在CCM下，电感的纹波电流是恒定的。

参考图4为Buck-Boost变换器工作于DCM的电感电流和输出电压波形，其中：d₁T为模态1所持续的时间，d₂T为模态2所持续的时间，I_p为DCM下电感电流峰值，可以得到：

$I_p=V_o\sqrt{\frac{2}{\mathrm{LfR}}}---\left(5\right)$

由式（5），可以定义DCM下的三个边界条件：G_D12：i_L≥I_p；G_D23：i_L=0；G_D31：v_o≤V_o。

参考图5为DSP控制逻辑流程图。（1）根据输入电压V_in、负载电阻R、开关频率f和输出电压期望值V_o计算混杂控制的边界值。（2）通过逻辑判断，确定Buck-Boost变换器的工作模式：CCM或DCM。（3）根据状态变量i_L，v_o与不同工作模式（CCM或DCM）的边界条件的比较结果，由DSP输出主电路开关管的控制信号，驱动主电路工作。

参考图6为Buck-Boost变换器作为升压时的混杂控制结果仿真图，其中V_in=20V，V_o=40V，L=350μH，C=10μF，f=20KHz，R分别为80Ω、100Ω、200Ω、400Ω，图中，从上至下分别为负载电阻、电感电流和输出电压的波形图，图7为图6在t=0.005s时的局部放大图。图8为Buck-Boost变换器作为降压时的混杂控制结果仿真图，其中V_in=40V，V_o=20V，L=350μH，C=10μF，f=20KHz，R分别为30Ω、50Ω、100Ω、200Ω，图中，从上至下分别为负载电阻、电感电流和输出电压的波形图，图9为图8在t=0.005s时的局部放大图。从以上仿真结果可以看出：1）在此控制方法下，Buck-Boost变换器可同时工作于CCM和DCM，且稳态开关频率不会随着负载的跳变而发生变化；2）此方法对于CCM不再考虑其两种不同的能量传输模式，而是采用统一的边界条件，从而简化了其控制过程；3）CCM下电感的纹波电流恒定；4）具有响应速度快、稳态精度高的特点。

综上所述，本发明的Buck-Boost变换器的混杂控制方法，既解决了Buck-Boost变换器同时工作于CCM和DCM，又解决了工作于CCM的变频特性，简化了Buck-Boost变换器工作于CCM时的控制过程，且使工作于CCM时的电感纹波电流恒定。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好的利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.Buck-Boost变换器的混杂控制方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）建立能同时工作于电感电流连续模式（CCM）和电感电流断续模式（DCM）的Buck-Boost变换器的混杂自动机模型；

（2）计算出同时考虑CCM和DCM的混杂控制边界值：I _L、Δi _L/2和I _p，其中I _L为Buck-Boost变换器中电感电流的平均值，Δi _L为CCM下电感的纹波电流，I _p为DCM下电感电流的峰值；

（3）通过比较器，判断Buck-Boost变换器的工作模式：若I _L>Δi _L/2，则Buck-Boost变换器工作于CCM，反之，则工作于DCM；

（4）根据状态变量与由DSP控制计算出的边界条件的比较结果，输出主电路开关管的控制信号，驱动主电路工作。

2.根据权利要求1所述Buck-Boost变换器的混杂控制方法，其特征在于：

当Buck-Boost变换器工作于CCM时，不再考虑其两种不同的能量传输模式，而是采用统一的边界条件，此时的Buck-Boost变换器在q ₁和q ₂两种状态之间切换，若Buck-Boost变换器中电感电流i _L大于或等于I _L+Δi _L/2时，则由DSP输出控制信号使开关关断，Buck-Boost变换器由模态1（q ₁）切换至模态2（q ₂）；若电感电流i _L小于或等于I _L-Δi _L/2时，则由DSP输出控制信号使开关导通，Buck-Boost变换器由模态2（q ₂）切换至模态1（q ₁）。

3.根据权利要求1所述Buck-Boost变换器的混杂控制方法，其特征在于：当Buck-Boost变换器工作于DCM时，Buck-Boost变换器在q ₁、q ₂和q ₃三种状态之间按顺序进行切换，若Buck-Boost变换器中电感电流i _L大于或等于I _p时，则由DSP输出控制信号使开关关断，Buck-Boost变换器由模态1（q ₁）切换至模态2（q ₂）；若Buck-Boost变换器中电感电流i _L等于0，则由DSP输出控制信号使开关关断，Buck-Boost变换器由模态2（q ₂）切换至模态3（q ₃）；若Buck-Boost变换器输出端电压v _o小于或等于输出电压期望值V _o，则由DSP输出控制信号使开关导通，Buck-Boost变换器由模态3（q ₃）切换至模态1（q ₁）。

4.根据权利要求1所述Buck-Boost变换器的混杂控制方法，其特征在于步骤（1）所述混杂自动机模型包括离散过程和连续过程，其中离散过程是一个有限状态机，能根据连续过程的连续状态信号i _L和v _o来控制离散过程中不同状态之间的切换，而连续过程则接收离散过程的输出e来激活相应的连续过程。

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