CN115378257B - 四开关Buck-Boost变换器的控制系统及方法 - Google Patents

四开关Buck-Boost变换器的控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种四开关Buck‑Boost变换器的控制系统及方法，控制系统包括采样模块、模式切换控制模块、电压环控制器、电流预测模块、Buck PWM调制模块、Boost PWM调制模块，采样模块采集输入电压、输出电压以及电感电流，模式切换控制模块确定下一个开关周期的工作模式，电压环控制器得到参考电流，电流预测模块计算下一个开关周期时Buck半桥的占空比和Boost半桥的占空比。本技术方案的技术效果在于通过模式切换控制模块设置四种不同的工作模式，解决了由于最大和最小占空比限制导致的Buck模式和Boost模式之间的电压增益死区问题，加入电流预测模块有效提升了环路带宽和动态响应速度。

Description

四开关Buck-Boost变换器的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电子器件控制技术领域，尤其涉及一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统及方法。
背景技术
四开关Buck-Boost电路相比传统的Buck-Boost电路具有相同的输入与输出电压极性，而相比Cuk、Sepic和Zeta电路其所含的无源器件较少，适合高功率密度场合，同时能够实现电能的双向传输，目前在电池充电、通信电源和光伏发电领域获得广泛应用。
四开关Buck-Boost电路由Buck半桥和Boost半桥组成，其具有两个控制自由度，分别为Buck半桥的第一MOSFET管驱动信号占空比DBuck和Boost半桥的第三MOSFET管驱动信号占空比DBoost，这使得它可以工作在Buck模式（即DBoost=0）和Boost模式（即DBuck=1）。但是由于功率器件及驱动回路中寄生参数的影响，开关管驱动信号具有最小占空比和最大占空比的限制，这使得变换器的直流电压增益不连续，在直流电压增益值为1的附近会突然变化，导致输出电压振荡以及系统不稳定。
发明内容
本发明实施例提供一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统及方法，以解决现有技术中变换器的直流电压增益不连续导致输出电压振荡以及系统不稳定的问题。
本申请第一方面提供一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统，包括：
采样模块，用于采集Buck-Boost变换器的输入电压、输出电压以及电感电流；
模式切换控制模块，用于获取输入电压与参考电压之间的电压比值，并根据所述电压比值与预设值之间的关系确定下一个开关周期的工作模式；
电压环控制器，用于根据所述输出电压和所述参考电压得到参考电流；
电流预测模块，用于根据所述输入电压、所述输出电压、所述电感电流、所述参考电流以及所述工作模式计算下一个开关周期时Buck半桥的占空比和Boost半桥的占空比；
Buck PWM调制模块，用于根据所述Buck半桥的占空比获取所述Buck半桥中每个开关的占空比；
Boost PWM调制模块，用于根据所述Boost半桥的占空比获取所述Boost半桥中每个开关的占空比。
本申请第二方面提供一种四开关Buck-Boost变换器的控制方法，包括：
采集Buck-Boost变换器的输入电压、输出电压以及电感电流；
获取输入电压与参考电压之间的电压比值，并根据所述电压比值与预设值之间的关系确定下一个开关周期的工作模式；
根据所述输出电压和所述参考电压得到参考电流，并根据所述输入电压、所述输出电压、所述电感电流、所述参考电流以及所述工作模式计算下一个开关周期时Buck半桥的占空比和Boost半桥的占空比；
根据所述Buck半桥的占空比获取所述Buck半桥中每个开关的占空比，以及根据所述Boost半桥的占空比获取所述Boost半桥中每个开关的占空比。
本申请提供一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统及方法，控制系统包括采样模块、模式切换控制模块、电压环控制器、电流预测模块、Buck PWM调制模块、Boost PWM调制模块，采样模块采集输入电压、输出电压以及电感电流，模式切换控制模块确定下一个开关周期的工作模式，电压环控制器得到参考电流，电流预测模块计算下一个开关周期时Buck半桥的占空比和Boost半桥的占空比。本技术方案的技术效果在于通过模式切换控制模块设置四种不同的工作模式，解决了由于最大和最小占空比限制导致的Buck模式和Boost模式之间的电压增益死区问题，并且加入电流预测模块，有效提升了环路带宽和动态响应速度，解决了现有控制方法下直流电压增益不连续导致输出电压振荡以及系统不稳定的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的电路图；
图2是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统的结构示意图；
图3是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统的模式切换示意图；
图4是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统的模式切换流程图；
图5是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统的Buck半桥的第一MOSFET管S1和Boost半桥的第三MOSFET管S3的PWM信号调制图；
图6是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统的第一工作模式在稳态下的驱动信号和电感电流波形图；
图7是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统的第二工作模式在稳态下的驱动信号和电感电流波形图；
图8是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统的第三工作模式在稳态下的驱动信号和电感电流波形图；
图9是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统的第四工作模式在稳态下的驱动信号和电感电流波形图；
图10是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统的电感电流跟随参考电流的变化过程示意图；
图11是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统的模型控制框图；
图12是本发明一实施例中一种四开关Buck-Boost变换器的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统，用于对四开关Buck-Boost变换器进行控制，如图1所示，四开关Buck-Boost变换器包括第一MOSFET管S1、第二MOSFET管S2、第三MOSFET管S3、第四MOSFET管S4、滤波电感L、输入滤波电容Cin和输出滤波电容Co，第一MOSFET管S1的输入端与电源输入端的正极相连，第一MOSFET管S1的输出端与第二MOSFET管S2的输入端和滤波电感的一端相连，第二MOSFET管S2的输出端与电源输入端的负极相连，第四MOSFET管S4的输入端与电压输出端的正极和滤波电感的另一端相连，第四MOSFET管S4的输出端与第三MOSFET管S3的输入端相连，第三MOSFET管S3的输出端与电压输出端的负极相连，输入滤波电容Cin连接在电源输入端的正极与负极之间，输出滤波电容Co连接在电压输出端的正极与负极之间。其中第一MOSFET管S1和第二MOSFET管S2组成Buck半桥，第一MOSFET管S1为其主开关管，第一MOSFET管S1和第二MOSFET管S2互补导通，第三MOSFET管S3和第四MOSFET管S4组成Boost半桥，S3为其主开关管，第三MOSFET管S3和第四MOSFET管S4互补导通。其中，稳态下第一MOSFET管S1的占空比d1、第三MOSFET管S3的占空比d3、输入电压Vin和输出电压Vo的关系为
Figure 416714DEST_PATH_IMAGE001
。
在一实施例中，如图2所示，提供一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统10，包括：
采样模块(ADC)101，用于采集Buck-Boost变换器的输入电压、输出电压以及电感电流；
模式切换控制模块102，用于获取输入电压与参考电压之间的电压比值，并根据电压比值与预设值之间的关系确定下一个开关周期的工作模式；
电压环控制器103，用于根据输出电压和参考电压得到参考电流；
电流预测模块104，用于根据输入电压、输出电压、电感电流、参考电流以及工作模式计算下一个开关周期时Buck半桥的占空比和Boost半桥的占空比；
Buck PWM调制模块105，用于根据Buck半桥的占空比获取Buck半桥中每个开关的占空比；
Boost PWM调制模块106，用于根据Boost半桥的占空比获取Boost半桥中每个开关的占空比。
其中，对于采样模块101，采样模块101连接电源的正极采集Buck-Boost变换器的输入电压，通过连接电压输出端采集输出电压以及通过连接电感支路采集电感电流。
其中，对于电压环控制器103，其包括PI补偿器131和减法器132，减法器132根据输出电压和参考电压得到差值，PI补偿器131对差值进行PI调节，由于变换器在稳态下的输出电压基本等于输出参考电压，因此，可以采用输入电压与输出电压之间的电压比值代替输入电压与参考电压之间的电压比值。
其中，对于模式切换控制模块102，设置Buck-Boost变换器工作在四个不同的工作模式，根据变换器输入与输出电压的比值，使用滞环控制方式进行两个模式之间的切换。
其中，对于Buck-Boost变换器的工作模式，工作模式包括：
第一工作模式，该工作模式中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比为1；
第二工作模式，该工作模式中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比为第一固定值DH，其中，DH<1；
第三工作模式，该工作模式中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比为第二固定值DL，其中，DL<1；
第四工作模式，该工作模式中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比为0。
其中，对于第一工作模式，Buck-Boost换器等效为Boost电路，其中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比固定为1，Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比由电流预测模块104计算得到。
其中，对于第二工作模式，Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比固定为DH，Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比由电流预测模块104控制计算得到。
其中，对于第三工作模式，Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比固定为DL，Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比由电流预测模块104计算得到。
其中，对于第四工作模式，变换器等效为Buck电路，其中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比固定为0，Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比由电流预测模块104计算得到。
进一步的，对于第二工作模式和第三工作模式，第一固定值DH和第二固定值DL满足以下关系式：
Figure 526664DEST_PATH_IMAGE002
其中，Dmin为最小占空比，Dmax为最大占空比，Ddead为一个开关周期内的死区占空比。
其中，如图3和图4所示，对于模式切换控制模块102进行对比的预设值，预设值包括依次增大的Boost低压给定值KL1、Boost高压给定值KH1、Boost-Buck低压给定值KL2、Boost-Buck高压给定值KH2、Buck低压给定KL3以及Buck高压给定值KH3。
模式切换控制模块102检测当前工作模式为第一工作模式时，并且判定电压比值大于Boost高压给定值KH1时，确定下一个阶段的工作模式为第二工作模式；
模式切换控制模块102检测当前工作模式为第二工作模式时，当判定电压比值大于Boost-Buck高压给定值KH2时，确定下一个阶段的工作模式为第三工作模式，以及判定电压比值小于Boost低压给定值KL1时，确定下一个阶段的工作模式为第一工作模式；
模式切换控制模块102检测当前工作模式为第三工作模式时，当判定电压比值大于Buck高压给定值KH3时，确定下一个阶段的工作模式为第四工作模式，以及判定电压比值小于Boost-Buck低压给定值KL2时，确定下一个阶段的工作模式为第二工作模式。
模式切换控制模块102检测当前工作模式为第四工作模式时，并且判定电压比值小于Buck低压给定值KL3时，确定下一个阶段的工作模式为第三工作模式。
如图4所示，作为一种实施例，第一工作模式为Model1，第二工作模式为Model2，第三工作模式为Model3，第四工作模式为Model4，v in / v o 为输入电压与输出电压的电压比值。
切换工作模式的具体步骤如下：
当前工作模式为第一工作模式时，判断v in / v o 是否大于KH1，是，则确定下一个阶段的工作模式为第二工作模式，否，则结束流程。
当前工作模式为第二工作模式时，判断v in / v o 是否大于Boost-Buck高压给定值KH2时，是，则确定下一个阶段的工作模式为第三工作模式，否，则判定v in / v o 小于Boost低压给定值KL1时，是，则确定下一个阶段的工作模式为第一工作模式，否，则结束流程。
当前工作模式为第三工作模式时，当判定v in / v o 是否大于Buck高压给定值KH3时，是，则确定下一个阶段的工作模式为第四工作模式，否，则判断v in / v o 是否小于Boost-Buck低压给定值KL2时，是，则确定下一个阶段的工作模式为第二工作模式，否，则结束流程；
当前工作模式为第四工作模式时，判断v in / v o 是否小于Buck低压给定KL3时，是，确定下一个阶段的工作模式为第三工作模式，否，则结束流程。
进一步的，Boost低压给定值KL1、Boost高压给定值KH1、Boost-Buck低压给定值KL2、Boost-Buck高压给定值KH2、Buck低压给定值KL3以及Buck高压给定值KH3满足以下关系式：
Figure 978505DEST_PATH_IMAGE003
。
其中，对于电流预测模块104，根据变换器当前采样得到的输入电压、输出电压、电感电流、电压环控制器输出的参考电流以及工作模式，提前计算下一个周期的占空比，使电感电流快速跟随参考电流变化。
其中，当电流预测模块接收的电感电流的采样时刻为电感的谷值电流时，使用预测谷值电流模式控制；电感电流的采样时刻为电感的峰值电流时，使用预测峰值电流模式控制。
作为一种实施方式，为了减小电感电流脉动，Buck半桥的主开关管S1的PWM信号采用后缘调制方式，Boost半桥的主开关管S3的PWM信号采用前缘调制方式，如图5所示。此时，Boost-Buck变换器在四种工作模式且稳态下的驱动信号和电感电流波形分别如图6、7、8、9所示。本发明实施例中，电感电流的采样时刻为开关周期开始时刻，根据波形图可以知道，采样得到的电感电流在Model1和Model2中为电感的峰值电流，在Model3和Model4中为电感的谷值电流。为了防止电流振荡，提高电流模式控制的稳定性，在Model1和Model2中使用预测峰值电流模式控制，在Model3和Model4中使用预测谷值电流模式控制。
本发明实施例中，预测电流模式控制在四种工作模式下的占空比计算公式如下：
Figure 639294DEST_PATH_IMAGE004
其中，L为电感值，T为开关周期。以四开关Buck-Boost变换器工作在Model1为例，使用上述的预测电流模式控制得到的电感电流跟随参考电流的变化过程如图10所示。预测电流模式控制的计算频率为开关频率的二分之一，但需要在前一个开关周期内完成计算。在第n个开关周期时，电压控制器输出的i ref [n]发生变化，此时预测电流模式控制计算出第n+1个周期的占空比，使得电感电流在第n+1个周期的结束时刻等于i ref [n]，然后在第n+2个开关周期开始时进行下一次的预测电流模式控制的计算。
在本发明实施例中，系统的小信号模型框图如图11所示。假设使用预测电流模式控制后的电感电流的跟随无误差，即
Figure 922508DEST_PATH_IMAGE005
，则环路增益可以通过
Figure 463079DEST_PATH_IMAGE006
近似计算，其中K(s)为采样电路的传递函数，Hpi(s)为电压环PI补偿器的传递函数。通过画出环路增益T(s)的对数幅频特性曲线可以发现，相比只有电压环控制器的传统控制方法，引入预测电流模式控制后的穿越频率更高，与之对应的系统的动态响应速度更快。
传统技术中四开关Buck-Boost变换器具有Buck半桥主开关管S1的驱动信号占空比d1和Boost半桥主开关管S3的驱动信号占空比d3两个控制自由度。为了较小开关损耗，提升变换器的效率，在变换器需要升压时，设置占空比d1=1，只控制占空比d3变化，此时变换器可以看成工作在Boost模式；在变换器需要降压时，设置占空比d3=0，只控制占空比d1变化，此时变换器可以看成工作在Buck模式。但是由于驱动信号的占空比有最大值和最小值的限制，不能无限接近1或者0，这导致Buck模式和Boost模式之间的变换器输出死区，即直流电压增益不连续。并且最小占空比Dmin和最大占空比Dmax的大小均与开关频率、开关管开通和关断的速度有关，两者的关系为Dmax=1-Dmin-Ddead，其中Ddead为一个开关周期内的死区占空比，其大小主要与开关频率、开关管开通和关断的速度以及实现ZVS所需的时间有关。一般情况，开关频率为100kHz时，Dmin要大于0.03，Dmax要小于0.95。
为了解决上述问题，同时兼顾系统的动态响应速度需求，本申请在第n个开关周期的开始时刻通过ADC采样得到输入电压v in [n]、输出电压v o [n]和电感电流i L [n]，模式切换控制模块将根据输入电压与输出参考电压比值大小确定下个阶段的工作模式Model [n]，电流预测模块根据v in [n]、v o [n]、i L [n]、Model [n]和电压环PI补偿器输出的参考电流i ref [n]，提前计算第n+1个开关周期（即下一个开关周期）的占空比d1[n+1]和d3[n+1]。然后两个PWM调制模块依照d1[n+1]和d3[n+1]，加入一定的死区时间，得到d2[n+1]和d4[n+1]，并在第n+1个开关周期到来时输出四个开关管的PWM控制信号。电流预测模块每两个开关周期计算一次，为了减小数字控制器的计算压力，模式切换控制模块可以每几个或者几十个开关周期进行一次判断，确定下个阶段变换器的工作模式。在本发明实施例中，作为一种举例，Dmin=0.04，Ddead=0.02，Dmax=0.94，开关频率fs=100kHz。
本申请中控制系统增加了模式切换控制模块和电流预测模块。其中模式切换控制是使用三个滞环进行不同模式之间的过渡，并通过综合考量控制方法的适用性、稳定性和变换器的效率，给出了每个滞环的上门限比值和下门限比值的设计原则。电流预测模块根据变换器当前开关周期采样得到的输入电压、输出电压、电感电流和电压环控制器输出的参考电流，提前计算下一个周期的占空比，使电感电流快速跟随参考电流变化。
本申请的技术效果在于在综合考量变换器的效率和稳定性的情况下设置了四种不同的工作模式，解决了由于最大和最小占空比限制导致的Buck模式和Boost模式之间的电压增益死区问题；并且加入预测电流模式控制，有效提升了环路带宽和动态响应速度，解决了现有控制方法下四开关Buck-Boost变换器动态响应速度慢的问题。
本申请实施例二提供一种四开关Buck-Boost变换器的控制方法，如图12所示，包括：
步骤S101.采集Buck-Boost变换器的输入电压、输出电压以及电感电流。
步骤S102.获取输入电压与参考电压之间的电压比值，并根据电压比值与预设值之间的关系确定下一个开关周期的工作模式。
步骤S103.根据输出电压和参考电压得到参考电流，并根据输入电压、输出电压、电感电流、参考电流以及工作模式计算下一个开关周期时Buck半桥的占空比和Boost半桥的占空比。
步骤S104.根据Buck半桥的占空比获取Buck半桥中每个开关的占空比，以及根据Boost半桥的占空比获取Boost半桥中每个开关的占空比。
进一步的，工作模式包括：
第一工作模式，该工作模式中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比为1；
第二工作模式，该工作模式中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比为第一固定值DH，其中，DH<1；
第三工作模式，该工作模式中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比为第二固定值DL，其中，DL<1；
第四工作模式，该工作模式中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比为0。
进一步的，第一固定值DH和第二固定值DL满足以下关系式：
Figure 198954DEST_PATH_IMAGE002
其中，Dmin为最小占空比，Dmax为最大占空比，Ddead为一个开关周期内的死区占空比。
进一步的，预设值包括依次增大的Boost低压给定值KL1、Boost高压给定值KH1、Boost-Buck低压给定值KL2、Boost-Buck高压给定值KH2、Buck低压给定值KL3以及Buck高压给定值KH3；
根据电压比值与预设值之间的关系确定下一个开关周期的工作模式包括：
检测当前工作模式为第一工作模式时，并且判定电压比值大于Boost高压给定值KH1时，确定下一个阶段的工作模式为第二工作模式；
检测当前工作模式为第二工作模式时，当判定电压比值大于Boost-Buck高压给定值KH2时，确定下一个阶段的工作模式为第三工作模式，以及判定电压比值小于Boost低压给定值KL1时，确定下一个阶段的工作模式为第一工作模式；
检测当前工作模式为第三工作模式时，当判定电压比值大于Buck高压给定值KH3时，确定下一个阶段的工作模式为第四工作模式，以及判定电压比值小于Boost-Buck低压给定值KL2时，确定下一个阶段的工作模式为第二工作模式；
检测当前工作模式为第四工作模式时，并且判定电压比值小于Buck低压给定值KL3时，确定下一个阶段的工作模式为第三工作模式。
本发明提供了一种四开关Buck-Boost变换器的控制方法，在保持变换器不同工作模式之间平滑过渡的基础上，引入预测电流模式控制提升电路的动态响应速度，并且尽可能减小电路损耗，由此解决现有的模式切换方法鲁棒性低、变换器响应速度慢的技术问题。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储上述实施例的四开关Buck-Boost变换器的控制方法中所使用到的数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种四开关Buck-Boost变换器的控制方法。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中的四开关Buck-Boost变换器的控制方法。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的四开关Buck-Boost变换器的控制方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种四开关Buck-Boost变换器的控制系统，其特征在于，包括：
采样模块，用于采集Buck-Boost变换器的输入电压、输出电压以及电感电流；
模式切换控制模块，用于获取所述输入电压与参考电压之间的电压比值，并根据所述电压比值与预设值之间的关系确定下一个开关周期的工作模式；
电压环控制器，用于根据所述输出电压和所述参考电压得到参考电流；
电流预测模块，用于根据所述输入电压、所述输出电压、所述电感电流、所述参考电流以及所述工作模式计算下一个开关周期时Buck半桥的占空比和Boost半桥的占空比；
Buck PWM调制模块，用于根据所述Buck半桥的占空比获取所述Buck半桥中每个开关的占空比；
Boost PWM调制模块，用于根据所述Boost半桥的占空比获取所述Boost半桥中每个开关的占空比；
所述电流预测模块根据以下计算公式计算下一个开关周期时Buck半桥的占空比和Boost半桥的占空比：
d3[n+1]=2－d3[n]－(L/voT)×(iL[n]－iref[n])－2vin/vo Model1
d3[n+1]=2－d3[n]－(L/voT)×(iL[n]－iref[n])－2DHvin/vo Model2
d1[n+1]=(L/vinT)×(iref[n]－iL[n])－d1[n]＋2(1－DL)vo/vin Model3
d1[n+1]=(L/vinT)×(iref[n]－iL[n])－d1[n]－2vo/vin Model4
其中，L为电感值，T为开关周期，iL[n]为在第n个开关周期中采样得到的电感电流，iref[n]为在第n个开关周期中电压环控制器输出的参考电流，d1[n]和d3[n]分别为Buck半桥第一MOSFET管S1和Boost半桥第三MOSFET管S3在第n个开关周期的占空比，d1[n+1]和d3[n+1]分别为Buck半桥第一MOSFET管S1和Boost半桥第三MOSFET管S3在第n+1个开关周期的占空比，vin为输入电压，vo为输出电压，DH为第二工作模式中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比，DL为第三工作模式中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述工作模式包括：
第一工作模式，该工作模式中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比为1；
第二工作模式，该工作模式中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比为第一固定值DH，其中，DH<1；
第三工作模式，该工作模式中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比为第二固定值DL，其中，DL<1；
第四工作模式，该工作模式中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比为0。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述第一固定值DH和所述第二固定值DL满足以下关系式：
D1<DL<0.2
0.8<DH<D2
D2=1－D1－D3
其中，D1为最小占空比，D2为最大占空比，D3为一个开关周期内的死区占空比。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述预设值包括依次增大的Boost低压给定值KL1、Boost高压给定值KH1、Boost-Buck低压给定值KL2、Boost-Buck高压给定值KH2、Buck低压给定值KL3以及Buck高压给定值KH3；
所述模式切换控制模块检测当前工作模式为第一工作模式时，并且判定所述电压比值大于所述Boost高压给定值KH1时，确定下一个阶段的工作模式为第二工作模式；
所述模式切换控制模块检测当前工作模式为第二工作模式时，当判定所述电压比值大于所述Boost-Buck高压给定值KH2时，确定下一个阶段的工作模式为第三工作模式，以及判定所述电压比值小于所述Boost低压给定值KL1时，确定下一个阶段的工作模式为第一工作模式；
所述模式切换控制模块检测当前工作模式为第三工作模式时，当判定所述电压比值大于所述Buck高压给定值KH3时，确定下一个阶段的工作模式为第四工作模式，以及判定所述电压比值小于所述Boost-Buck低压给定值KL2时，确定下一个阶段的工作模式为第二工作模式；
所述模式切换控制模块检测当前工作模式为第四工作模式时，并且判定所述电压比值小于所述Buck低压给定值KL3时，确定下一个阶段的工作模式为第三工作模式。
5.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述Boost低压给定值KL1、所述Boost高压给定值KH1、所述Boost-Buck低压给定值KL2、所述Boost-Buck高压给定值KH2、所述Buck低压给定值KL3以及所述Buck高压给定值KH3满足以下关系式：
KL1≥0.75
1－D1>KH1>KL1+0.03
KL2>(1－DL)/D2
(1－D1)/DH>KH2>KL2+0.03
KL3>1/D2
1.25≥KH3>KL3+0.03；
其中，D1为最小占空比，D2为最大占空比。
6.一种四开关Buck-Boost变换器的控制方法，其特征在于，包括：
采集Buck-Boost变换器的输入电压、输出电压以及电感电流；
获取所述输入电压与参考电压之间的电压比值，并根据所述电压比值与预设值之间的关系确定下一个开关周期的工作模式；
根据所述输出电压和所述参考电压得到参考电流，并根据所述输入电压、所述输出电压、所述电感电流、所述参考电流以及所述工作模式计算下一个开关周期时Buck半桥的占空比和Boost半桥的占空比；
根据所述Buck半桥的占空比获取所述Buck半桥中每个开关的占空比，以及根据所述Boost半桥的占空比获取所述Boost半桥中每个开关的占空比；
根据以下计算公式计算下一个开关周期时Buck半桥的占空比和Boost半桥的占空比：
d3[n+1]=2－d3[n]－(L/voT)×(iL[n]－iref[n])－2vin/vo Model1
d3[n+1]=2－d3[n]－(L/voT)×(iL[n]－iref[n])－2DHvin/vo Model2
d1[n+1]=(L/vinT)×(iref[n]－iL[n])－d1[n]＋2(1－DL)vo/vin Model3
d1[n+1]=(L/vinT)×(iref[n]－iL[n])－d1[n]－2vo/vin Model4
其中，L为电感值，T为开关周期，iL[n]为在第n个开关周期中采样得到的电感电流，iref[n]为在第n个开关周期中电压环控制器输出的参考电流，d1[n]和d3[n]分别为Buck半桥第一MOSFET管S1和Boost半桥第三MOSFET管S3在第n个开关周期的占空比，d1[n+1]和d3[n+1]分别为Buck半桥第一MOSFET管S1和Boost半桥第三MOSFET管S3在第n+1个开关周期的占空比，vin为输入电压，vo为输出电压，DH为第二工作模式中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比，DL为第三工作模式中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述工作模式包括：
第一工作模式，该工作模式中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比为1；
第二工作模式，该工作模式中Buck半桥的第一MOSFET管S1的占空比为第一固定值DH，其中，DH<1；
第三工作模式，该工作模式中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比为第二固定值DL，其中，DL<1；
第四工作模式，该工作模式中Boost半桥的第三MOSFET管S3的占空比为0。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述第一固定值DH和所述第二固定值DL满足以下关系式：
D1<DL<0.2
0.8<DH<D2
D2=1－D1－D3
其中，D1为最小占空比，D2为最大占空比，D3为一个开关周期内的死区占空比。
9.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述预设值包括依次增大的Boost低压给定值KL1、Boost高压给定值KH1、Boost-Buck低压给定值KL2、Boost-Buck高压给定值KH2、Buck低压给定值KL3以及Buck高压给定值KH3；
所述根据所述电压比值与预设值之间的关系确定下一个开关周期的工作模式包括：
检测当前工作模式为第一工作模式时，并且判定所述电压比值大于所述Boost高压给定值KH1时，确定下一个阶段的工作模式为第二工作模式；
检测当前工作模式为第二工作模式时，当判定所述电压比值大于所述Boost-Buck高压给定值KH2时，确定下一个阶段的工作模式为第三工作模式，以及判定所述电压比值小于所述Boost低压给定值KL1时，确定下一个阶段的工作模式为第一工作模式；
检测当前工作模式为第三工作模式时，当判定所述电压比值大于所述Buck高压给定值KH3时，确定下一个阶段的工作模式为第四工作模式，以及判定所述电压比值小于所述Boost-Buck低压给定值KL2时，确定下一个阶段的工作模式为第二工作模式；
检测当前工作模式为第四工作模式时，并且判定所述电压比值小于所述Buck低压给定值KL3时，确定下一个阶段的工作模式为第三工作模式。
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