CN107733230B - 一种BuckBoost电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种BuckBoost电路及其控制方法，方法包括，在BuckBoost电路的定频调宽模式下，控制器根据输出电压给定和输出电压采样值实时计算调制比M；控制器根据调制比M对Buck开关管旁路继电器和Boost二极管旁路继电器分别进行控制的步骤；控制器通过旁路继电器分别对Buck开关管和Boost二极管进行旁路控制，实现BuckBoost电路工作模式控制的步骤；电路包括用于对Buck开关管进行旁路的Buck开关管旁路继电器，用于对Boost二极管进行旁路的Boost二极管旁路继电器，设置在Buck开关管和Boost二极管之间的飞跨继电器，以及控制器；本发明能有效的提高电路效率，成本低，减小电路损耗，电路拓扑功能不受影响安全可靠运行，实现系统性能与效率最优。通过标志位的控制，实现拓扑下系统的安全可靠运行。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，涉及BuckBoost电路控制，具体为一种BuckBoost电路及其控制方法。
背景技术
高效率是电源产品重要的品质之一，提高其效率的方法有三种：
1)通过提升器件性能降低损耗，提高效率；
2)应用软开关技术降低器件损耗；
3)应用低阻抗开关器件对功率器件进行旁路来降低系统损耗。
这三种方法在性能、成本和实现难易度等方面各有区别。其中提升器件性能是减小器件损耗的根本办法，但器件性能受制于工艺制程，且随着器件性能的提升，器件成本成倍增加；软开关技术可以保证开关管零电压或者零电流开关，但在高频开关电路中采用软开关电路增加了系统设计复杂度和难度。继电器导通阻抗远小于功率开关器件导通损耗，在电力电子功率拓扑中通过继电器将电路中损耗大的器件进行旁路，可以达到提高效率目的，这种方法在电力电子功率拓扑中已经得到了广泛的应用。
现有的电源产品中，BuckBoost电路是一种常见的电源电路。BuckBoost电路存在Buck和Boost两种工作模式，系统实际运行中两种模式能否无缝、平滑切换，对输入电压、输出电压稳压精度和纹波以及系统效率等性能指标都会有很大影响。目前常用的BuckBoost工作模式识别方法有：
1)固定压差模式识别法。其原理是根据输入电压与输出电压压差的大小判断系统工作模式，该方法简单有效，但无法识别动态过程中的模式切换。同时为了保证系统安全运行，需要预留较大的压差裕量，这也使得系统的高效工作范围变窄。
2)动态压差模式识别法。该方法应用先进的控制策略，对输入输出电压进行预判，其优点是无需较大的压差裕量，可以扩大系统的高效工作范围。具体的模式识别方法有：a、通过判断单位时间内实际输出功率对输入输出电压变化的影响，动态调节工作模式判断阈值的大小，在保证继电器可靠性的同时，提高系统的高效工作范围；b、通过检测单位时间内输入电压的变化来判断源的强弱，根据不同源的特性动态调节工作模式判断阈值的大小；c、以功率或电流等物理量为依据，采用先进控制技术动态调节工作模式判断阈值的大小等。
以上这两种方法均需先对工作模式进行判断，然后再进行模式切换，其始终存在一定的判断盲区。因此在配合继电器进行模式切换时，其效率无法达到实用性需求，操作较为复杂，电源系统的效率不高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种BuckBoost电路及其控制方法，运行稳定可靠，成本低，效率高，电路运行模式切换平顺。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种BuckBoost电路控制方法，包括，
在BuckBoost电路的定频调宽模式下，控制器根据输出电压给定和输出电压采样值实时计算调制比M；
控制器根据调制比M对Buck开关管旁路继电器和Boost二极管旁路继电器分别进行控制的步骤；
控制器通过旁路继电器分别对Buck开关管和Boost二极管进行旁路控制，实现BuckBoost电路工作模式控制的步骤；
当调制比M小于等于1时，控制Buck开关管旁路继电器关断，延时一定时间保证Buck开关管旁路继电器可靠关断后进入Buck开关管发波控制，此时工作在Buck工作模式，吸合Boost二极管旁路继电器，旁路Boost二极管，实现Buck高效工作模式；
当调制比M大于1时，控制Boost二极管旁路继电器关断，延时一定时间保证Boost二极管旁路继电器可靠关断后进入Boost开关管发波控制，此时工作在Boost工作模式，吸合Buck开关管旁路继电器，旁路Buck开关管，实现Boost高效工作模式。
优选的，还包括当BuckBoost电路的输入电压与输出电压始终相等时，控制器控制Buck开关管和Boost二极管之间设置的常开的飞跨继电器吸合。
优选的，
当调制比M小于等于1时，BuckBoost电路工作在Buck工作模式，当Boost二极管旁路继电器吸合条件满足时，其吸合，同时置位控制器中Buck高效工作模式的标志；当Boost二极管旁路继电器吸合条件不满足时，Boost二极管旁路继电器关断，同时延迟一定时间置位控制器中Buck工作模式的标志；
当调制比M大于1时，BuckBoost电路工作在Boost工作模式；当Buck开关管旁路继电器吸合条件满足时，其吸合，同时置位控制器中Boost高效工作模式的标志；当Buck开关管旁路继电器吸合条件不满足时，Buck开关管旁路继电器关断，同时延迟一定时间置位控制器中Boost工作模式的标志。
进一步的，所述的Boost二极管旁路继电器或Buck开关管旁路继电器吸合条件包括电路运行状态、输入与输出电压差和输出电流。
再进一步的，还包括通过标志位将不同电路工作模式与旁路继电器通断控制进行互锁的步骤；Buck开关管旁路继电器或Boost二极管旁路继电器断开标志作为非高效工作模式下相应Boost开关管或Buck开关管开通的条件；将Buck工作模式或Boost工作模式的标志作为下一时刻相应Buck开关管或Boost开关管控制发波的条件。
优选的，还包括Boost高效工作模式到Buck工作模式的切换步骤，由Boost高效工作模式切换到Buck工作模式时，当Buck开关管旁路继电器未彻底断开前，对Boost开关管发波进行如下处理，
使Buck开关管保持直通且Boost开关管停止发波，则母线电压不再升高，为Buck开关管旁路继电器关断提供条件。
优选的，还包括Buck高效工作模式到Boost工作模式的切换步骤，由Buck高效工作模式切换到Boost工作模式时，当Boost二极管旁路继电器未彻底断开时，调制比会保持Buck高效工作模式的计算值，直到Boost二极管旁路继电器断开标志置位，自动进入Boost工作模式。
一种BuckBoost电路，包括用于对Buck开关管进行旁路的Buck开关管旁路继电器，用于对Boost二极管进行旁路的Boost二极管旁路继电器，设置在Buck开关管和Boost二极管之间的飞跨继电器，以及控制器；
所述的控制器用于通过上述任意一的控制方法对常开的Buck开关管旁路继电器、Boost二极管旁路继电器和飞跨继电器进行开断控制，并对Buck开关管和Boost开关管进行发波控制。
优选的，多个Buck开关管旁路继电器分别与被旁路的Buck开关管一一对应并联设置，多个Boost二极管旁路继电器分别与被旁路的Boost二极管一一对应设置。
优选的，一个Buck开关管旁路继电器与被旁路的所有Buck开关管并联设置，一个Boost二极管旁路继电器与被旁路的所有Boost二极管并联设置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过采用旁路继电器对BuckBoost电路中的开关管进行旁路，通过调制比的计算对BuckBoost电路的模式进行判断和对应控制，保证了不同电路工作模式之间的无缝切换，不仅能够有效的提高电路效率，而且成本低，能够控制继电器使得开关管在零电压或零电流动作，减小电路损耗，且电路拓扑功能不受影响安全可靠运行，实现系统性能与效率最优。
进一步的，通过标志位的控制，使得BuckBoost电路工作模式与旁路继电器控制互锁机制，实现了该拓扑下系统的安全可靠运行。
附图说明
图1为本发明实例中所述BuckBoost电路工作模式无缝切换示意图。
图2为本发明实例中所述的一种BuckBoost电路结构示意图。
图3为本发明实例中所述的另一种BuckBoost电路结构示意图。
图4为本发明实例中所述BuckBoost工作模式无缝切换控制逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明能够实现BuckBoost电路工作模式的无缝切换方法，与现有技术中的控制方法不同，本发明根据瞬时计算所得调制比，实时切换BuckBoost的工作模式，模式之间切换时间最短为一个中断周期。
本发明中BuckBoost电路工作模式切换与旁路继电器的动作逻辑互锁。基于上述的工作模式实时识别方法，通过在各电路工作模式中置出相应高效标志，作为相应继电器的吸合条件。为避免频繁动作对继电器寿命的影响，对继电器吸合的条件作了更加严苛的要求，包括模块运行状态、输入与输出电压差、输出电流等均需满足一定条件。控制旁路继电器断开也有一定要求，当上述继电器吸合条件中有任一个不满足时，断开继电器同时延时置出非高效工作模式标志。为了确保继电器在零电压或零电流条件下关断，将非高效工作模式标志作为下一时刻控制发波的条件，这样就实现了零电压或零电流关断。
同时本发明中发波控制与旁路继电器动作逻辑互锁。控制各电路工作模式中置出相应高效标志作为继电器吸合条件，除了功能描述中的条件外加入控制模式条件。满足了动态条件，将继电器断开标志作为控制发波条件，等待一定时间后清除继电器高效标志。确保继电器在零压或零电流条件下关断后开关管发波。
具体的，结合图2和图3所示进行描述。
图2中Relay1、Relay3与图3中Relay1控制作用相同，均用于Boost工作模式下短路Buck开关管，实现Boost高效工作模式。
图2中Relay2、Relay4与图3中Relay2控制作用相同，均用于短路Boost二极管，实现Buck高效工作模式。图2、图3中Relay5为飞跨继电器，Relay5工作时输入输出直通，此时效率最高。
下面结合图1，图3和图4进行工作模式无缝切换以及继电器控制方法描述。
1、BuckBoost工作模式无缝切换。
该电路工作于定频调宽模式，控制器根据输出电压给定和输出电压采样值实时计算调制比M。
当调制比M小于等于1时，电路工作与Buck工作模式，此时输出电压为：
Vout＝M·Vin
当调制比M大于1时，电路工作与Boost工作模式，此时需要将调制比M进行转化：
其中K为转化后的调制比，此时输出电压为：
通过上述计算，可以看出输出电压只与实时计算的调制比M成正比。通过对调制比M大小的判断，可以快速、实时地判断出电路处于Buck或Boost工作模式。该方法对开关管的控制周期最小可以达到一个中断周期，实现两种工作模式的无缝切换。基于此，进一步能够精确地控制旁路继电器的通断，大大减小了控制盲区，使得提高整机效率成为可能。
2、旁路继电器切换逻辑。
为了保证系统安全可靠运行，对旁路继电器的通断采用严进宽出的控制原则。上述BuckBoost工作模式识别方法可以实时识别当前的工作模式，当工作在Buck工作模式，所有条件满足时相应Relay2位置旁路继电器吸合，同时置位处于Buck高效工作模式的标志。当工作在Boost工作模式，所有条件满足后对应Relay1位置旁路继电器吸合，同时置位处于Boost高效工作模式的标志。当有任一个条件不满足时则进行关旁路断继电器，且延迟一定时间进行开关管控制操作，同时退出高效模式并清除高效工作模式标志。Relay5继电器在调试中使用，仅适用于部分工况。
具体的，如图4所示，当调制比M小于等于1时，控制Buck开关管旁路继电器relay1关断，延时一定时间(保证旁路继电器可靠关断)后清除高效工作模式标志并进入Buck开关管发波控制，此时工作在Buck工作模式，置位Buck工作模式标志，同时清除Boost工作模式标志。当各条件满足时，吸合Boost二极管旁路继电器Relay2，电流流过阻抗较低的旁路继电器Relay2，大大减小了Boost二极管带来的能量消耗，实现Buck高效工作模式。
当调制比M大于1时，控制Boost二极管的旁路继电器relay2关断，延时一定时间(保证旁路继电器可靠关断)后清除高效工作模式标志并进入Boost开关管发波控制，此时工作在Boost工作模式，置位Boost工作模式标志，同时清除Buck工作模式标志。当各条件满足时，吸合Buck开关管旁路继电器Relay1，电流流过阻抗较低的旁路继电器Relay1，大大减小了Buck开关管带来的能量消耗，实现Boost高效工作模式。若输入电压与输出电压在某个应用场合中始终相等，此时吸合继电器Relay5，实现最大的高效。
3、工作模式与继电器控制互锁机制。
通过标志位将不同工作模式与旁路继电器通断控制进行互锁。旁路继电器断开标志作为非高效工作模式下相应开关管开通的条件，同时在继电器吸合条件不满足后延迟一定时间置出非高效工作模式标志，确保继电器在零压或零电流条件下关断。
在旁路继电器关断的等待过程中，为了防止动态过程对旁路继电器与开关管造成影响，保证旁路继电器安全可靠关断，采用了如下发波处理：
1)Boost高效工作模式到Buck工作模式的切换处理方法。由Boost高效工作模式切换到Buck工作模式时，当旁路继电器未彻底关断前需要对发波进行特殊处理(旁路继电器延时期间)。此时应使Buck开关管保持直通且Boost开关管停止发波。Boost开关管停止发波，则母线电压不再升高，为旁路继电器Relay1关断提供条件。
2)Buck高效工作模式到Boost工作模式的切换处理方法。由Buck高效工作模式切换到Boost工作模式，当继电器未彻底断开时，调制比会保持原Buck工作模式的计算值，直到Boost二极管旁路继电器标志清零，或者是Boost二极管旁路继电器断开标志置位，自动进入Boost工作模式。
图4中的控制环路能够采用控制器实现，Boost高效工作模式为Buck开关管被旁路的Boost工作模式，Boost工作模式为在Buck开关管未被旁路的Boost工作模式；Buck高效工作模式为Boost二极管被旁路的Buck工作模式，Buck工作模式为Boost二极管未被旁路的Buck工作模式。
本发明通过快速识别Buck和Boost工作模式，实现两种工作模式之间的无缝切换，这种控制方法可以有效提升系统的性能。通过采用旁路继电器旁路导通损耗较高的开关管的方法，减小了系统的开关损耗，有效提升了系统的整体效率。通过工作模式切换与继电器动作逻辑互锁，保证了该方案下系统的安全可靠运行。本发明可以在保证采用该拓扑的系统可靠性的前提下，提高系统的性能以及运行效率。
Claims (10)
1.一种BuckBoost电路控制方法，其特征在于，包括，
在BuckBoost电路的定频调宽模式下，控制器根据输出电压给定和输出电压采样值实时计算调制比M；
控制器根据调制比M对Buck开关管旁路继电器和Boost二极管旁路继电器分别进行控制的步骤；
控制器通过旁路继电器分别对Buck开关管和Boost二极管进行旁路控制，实现BuckBoost电路工作模式控制的步骤；
当调制比M小于等于1时，控制Buck开关管旁路继电器关断，延时一定时间保证Buck开关管旁路继电器可靠的处于关断状态后进入Buck开关管发波控制，此时工作在Buck工作模式，吸合Boost二极管旁路继电器，旁路Boost二极管，实现Buck高效工作模式；
当调制比M大于1时，控制Boost二极管旁路继电器关断，延时一定时间保证Boost二极管旁路继电器可靠的处于关断状态后进入Boost开关管发波控制，此时工作在Boost工作模式，吸合Buck开关管旁路继电器，旁路Buck开关管，实现Boost高效工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种BuckBoost电路控制方法，其特征在于，还包括当BuckBoost电路的输入电压与输出电压始终相等时，控制器控制Buck开关管和Boost二极管之间设置的常开的飞跨继电器吸合。
3.根据权利要求1所述的一种BuckBoost电路控制方法，其特征在于，
当调制比M小于等于1时，BuckBoost电路工作在Buck工作模式，当Boost二极管旁路继电器吸合条件满足时，其吸合，同时置位控制器中Buck高效工作模式的标志；当Boost二极管旁路继电器吸合条件不满足时，Boost二极管旁路继电器关断，同时延迟一定时间置位控制器中Buck工作模式的标志；
当调制比M大于1时，BuckBoost电路工作在Boost工作模式；当Buck开关管旁路继电器吸合条件满足时，其吸合，同时置位控制器中Boost高效工作模式的标志；当Buck开关管旁路继电器吸合条件不满足时，Buck开关管旁路继电器关断，同时延迟一定时间置位控制器中Boost工作模式的标志。
4.根据权利要求3所述的一种BuckBoost电路控制方法，其特征在于，所述的Boost二极管旁路继电器或Buck开关管旁路继电器吸合条件包括电路运行状态、输入与输出电压差和输出电流。
5.根据权利要求3所述的一种BuckBoost电路控制方法，其特征在于，还包括通过标志位将不同电路工作模式与旁路继电器通断控制进行互锁的步骤；Buck开关管旁路继电器或Boost二极管旁路继电器断开标志作为非高效工作模式下相应Boost开关管或Buck开关管开通的条件；将Buck工作模式或Boost工作模式的标志作为下一时刻相应Buck开关管或Boost开关管控制发波的条件。
6.根据权利要求1所述的一种BuckBoost电路控制方法，其特征在于，还包括Boost高效工作模式到Buck工作模式的切换步骤，由Boost高效工作模式切换到Buck工作模式时，当Buck开关管旁路继电器未彻底断开前，对Boost开关管发波进行如下处理，
使Buck开关管保持直通且Boost开关管停止发波，则母线电压不再升高，为Buck开关管旁路继电器关断提供条件。
7.根据权利要求1所述的一种BuckBoost电路控制方法，其特征在于，还包括Buck高效工作模式到Boost工作模式的切换步骤，由Buck高效工作模式切换到Boost工作模式时，当Boost二极管旁路继电器未彻底断开时，调制比会保持Buck高效工作模式的计算值，直到Boost二极管旁路继电器断开标志置位，自动进入Boost工作模式。
8.一种BuckBoost电路，其特征在于，包括用于对Buck开关管进行旁路的Buck开关管旁路继电器，用于对Boost二极管进行旁路的Boost二极管旁路继电器，设置在Buck开关管和Boost二极管之间的飞跨继电器，以及控制器；
所述的控制器用于通过如权利要求1-7中任意一项所述的控制方法对常开的Buck开关管旁路继电器、Boost二极管旁路继电器和飞跨继电器进行开断控制，并对Buck开关管和Boost开关管进行发波控制。
9.根据权利要求8所述的一种BuckBoost电路，其特征在于，多个Buck开关管旁路继电器分别与被旁路的Buck开关管一一对应并联设置，多个Boost二极管旁路继电器分别与被旁路的Boost二极管一一对应设置。
10.根据权利要求8所述的一种BuckBoost电路，其特征在于，一个Buck开关管旁路继电器与被旁路的所有Buck开关管并联设置，一个Boost二极管旁路继电器与被旁路的所有Boost二极管并联设置。
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Application publication date: 20180223 Assignee: Xi'an TGOOD Intelligent Charging Technology Co.,Ltd. Assignor: Xi'an teride lingchong New Energy Technology Co.,Ltd. Contract record no.: X2021370010006 Denomination of invention: A buck boost circuit and its control method Granted publication date: 20191105 License type: Common License Record date: 20210129 |
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Denomination of invention: A buckboost circuit and its control method Effective date of registration: 20220125 Granted publication date: 20191105 Pledgee: Xi'an investment and financing Company limited by guarantee Pledgor: Xi'an telingchong New Energy Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022610000001 |
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