CN116247936A - 基于双向升降压拓扑电路的控制方法 - Google Patents

基于双向升降压拓扑电路的控制方法 Download PDF

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CN116247936A CN202310124961.2A CN202310124961A CN116247936A CN 116247936 A CN116247936 A CN 116247936A CN 202310124961 A CN202310124961 A CN 202310124961A CN 116247936 A CN116247936 A CN 116247936A
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Abstract

本发明实施例提供了一种基于双向升降压拓扑电路的控制方法，应用于双向升降压拓扑电路，该方法包括：获取第一功率管的漏极和第二功率管的源极之间的第一电压；获取第三功率管的漏极和第四功率管的源极之间的第二电压；通过判断第一电压和第二电压，确定不同的控制策略，在原有的双向升降压拓扑的基础上采用一种双向升降压三段式控制，相对传统的双向升降压控制方式，具有更高的效率以及功率密度。

Description

基于双向升降压拓扑电路的控制方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种基于双向升降压拓扑电路的控制方法。
背景技术
现有技术中双向升降压拓扑电路如图1所示，其控制原理如下：Q1与Q4同时导通，Q2与Q3同时导通，Q1与Q2之间互补导通并留有一个死区时间防止直通，定义对应的Q1输出占空比为D，则可以得到对应U2电压与U1电压之间的关系：
Figure BDA0004081871450000011
对应电感纹波电流表达式为：
Figure BDA0004081871450000012
将表达式(1)和(2)进行整合得到
Figure BDA0004081871450000013
整个系统通过调节占空比D可以实现U2的输出电压调节，即可高于输出电压，也可低于输出电压，问题在于当电压U1不变，当U2电压越高，对应的纹波电流越大。该双向升降压控制由于所有能量均通过电感传输到另外一侧，效率较难做到很高。对应的其整体波形控制过程如图2所示：通过图2可以看出ic1和ic2对应的纹波电流相对电流平均值较大，输出需要更大的滤波电容体积，以及更大的滤波电容容量。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于双向升降压拓扑电路的控制方法。
本发明实施例提供一种基于双向升降压拓扑电路的控制方法，应用于双向升降压拓扑电路，所述双向升降压拓扑电路包括第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管，其中，所述第一功率管的漏极与第一电压源的第一端相连，所述第一功率管的源极与所述第二功率管的漏极相连，所述第二功率管的源极与第一电压源的第二端相连，所述第三功率管的漏极与第二电压端的第一端相连，所述第三功率管的源极与第四功率管的漏极相连，所述第四功率管的源极与第二电压源的第二端相连，所述第一功率管的源极与所述第三功率管的源极相连，所述方法包括：
获取所述第一功率管的漏极和所述第二功率管的源极之间的第一电压；
获取所述第三功率管的漏极和所述第四功率管的源极之间的第二电压；
通过判断所述第一电压和所述第二电压，确定不同的控制策略。
可选地，所述通过判断所述第一电压和所述第二电压，确定不同的控制策略，包括：
若所述第一电压大于k倍的第二电压，采用Buck电路控制方式，其中，所述k是根据死区时间、最小脉宽和开关时间确定的；
若所述第二电压小于k倍的第一电压，且所述第一电压小于k倍的第二电压，采用Buck-Boost电路控制方式；
若所述第二电压大于k倍的第一电压，采用Boost电路控制方式。
可选地，所述若所述第一电压大于k倍的第二电压，采用Buck电路控制方式，包括：
若所述第一电压大于k倍的第二电压，所述第三功率管导通，第四功率管关断，所述第一功率管与所述第二功率管之间互补导通并留有一个死区时间防止直通，确定所述第一功率管的输出占空比；
根据所述第一功率管的输出占空比，对所述第二电压进行调节。
可选地，所述根据所述第一功率管的输出占空比，对所述第二电压进行调节，包括：
确定第一电压与第二电压之间的关系：
U2＝DU1；
其中，U1为第一电压，U2为第二电压；D为第一功率管的输出占空比；
确定电感纹波，所述电感纹波的电流表达式为：
Figure BDA0004081871450000031
其中，Ts为开关周期；L为电感值；iBuck为buck模式时电感电流纹波峰峰值。
可选地，所述若所述第二电压大于k倍的第一电压，采用Boost电路控制方式，包括：
所述若所述第二电压大于k倍的第一电压，所述第一功率管导通，所述第二功率管关断，所述第三功率管与所述第四功率管之间互补导通并留有一个死区时间防止直通，确定所述第三功率管的输出占空比；
根据所述第三功率管的输出占空比，对所述第二电压进行调节。
可选地，所述根据所述第三功率管的输出占空比，对所述第二电压进行调节，包括：
确定第一电压与第二电压之间的关系：
U1＝DU2；
其中，U1为第一电压，U2为第二电压；D为第一功率管的输出占空比；
确定电感纹波，所述电感纹波的电流表达式为：
Figure BDA0004081871450000032
其中，Ts为开关周期；L为电感值；iBoost为boost模式时电感电流纹波峰峰值。
可选地，所述方法还包括：
采用第一公式，获取功率密度小于第一预设值、以及效率小于第二预设值和电感值小于第三预设值的电感；
所述第一公式为：
Figure BDA0004081871450000033
其中，iBuck-Boost为buck-boost模式时电感电流纹波峰峰值。
可选地，所述方法还包括：
采用第二公式，获取功率密度小于第一预设值、以及效率小于第二预设值和电感值小于第三预设值的电感；
所述第二公式中的buck-boost模式与boost模式，两种模式对应的电感纹波电流峰峰值差值为：
Figure BDA0004081871450000041
本发明实施例包括以下优点：
本发明实施例提供的基于双向升降压拓扑电路的控制方法，应用于双向升降压拓扑电路，该方法包括：获取第一功率管的漏极和第二功率管的源极之间的第一电压；获取第三功率管的漏极和第四功率管的源极之间的第二电压；通过判断第一电压和第二电压，确定不同的控制策略，在原有的双向升降压拓扑的基础上采用一种双向升降压三段式控制，相对传统的双向升降压控制方式，具有更高的效率以及功率密度。
附图说明
图1是现有技术中双向升降压拓扑电路；
图2是现有技术的波形控制示意图；
图3是本发明的一种基于双向升降压拓扑电路的控制方法实施例的流程示意图；
图4是本发明的第一阶段波形控制示意图；
图5是本发明的第三阶段波形控制示意图；
图6是本发明的另一种基于双向升降压拓扑电路的控制方法实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图3，示出了本发明的一种基于双向升降压拓扑电路的控制方法实施例的示意图，应用于双向升降压拓扑电路，双向升降压拓扑电路包括第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管，其中，第一功率管的漏极与第一电压源的第一端相连，第一功率管的源极与第二功率管的漏极相连，第二功率管的源极与第一电压源的第二端相连，第三功率管的漏极与第二电压端的第一端相连，第三功率管的源极与第四功率管的漏极相连，第四功率管的源极与第二电压源的第二端相连，第一功率管的源极与第三功率管的源极相连，方法包括：
S101、获取第一功率管的漏极和第二功率管的源极之间的第一电压；
S102、获取第三功率管的漏极和第四功率管的源极之间的第二电压；
S103、通过判断第一电压和第二电压，确定不同的控制策略。
其中，在本申请中的控制策略是采用三段式进行控制的，通过对第一电压和第二电压的大小判断，来确定不同的控制策略。
具体地，通过判断第一电压和第二电压，确定不同的控制策略，包括：
若第一电压大于k倍的第二电压，采用Buck电路控制方式，其中，k是根据死区时间、最小脉宽和开关时间确定的；
若第二电压小于k倍的第一电压，且第一电压小于k倍的第二电压，采用Buck-Boost电路控制方式；
采用升降压模式进行控制。
若第二电压大于k倍的第一电压，采用Boost电路控制方式。
图6是本发明的另一种基于双向升降压拓扑电路的控制方法实施例的示意图，整体控制采用三段式控制:
1、第一电压U1>k*第二电压U2时，采用Buck电路控制方式；
2、(U2/k)<U1<kU2时，采用Buck-Boost电路控制方式；
3、(U2/k)>U1时，采用Boost电路控制方式。
可选地，若第一电压大于k倍的第二电压，采用Buck电路控制方式，包括：
若第一电压大于k倍的第二电压，第三功率管导通，第四功率管关断，第一功率管与第二功率管之间互补导通并留有一个死区时间防止直通，确定第一功率管的输出占空比；
根据第一功率管的输出占空比，对第二电压进行调节。
可选地，根据第一功率管的输出占空比，对第二电压进行调节，包括：
确定第一电压与第二电压之间的关系：
U2＝DU1；
其中，U1为第一电压，U2为第二电压；D为第一功率管的输出占空比；
确定电感纹波，电感纹波的电流表达式为：
Figure BDA0004081871450000061
其中，Ts为开关周期；L为电感值；iBuck为buck模式时电感电流纹波峰峰值。
也就是说，在第一阶段U1>kU2，其中k系数为考虑实际开关管工作时死区以及最小脉宽而导致实际输出时无法做到满输出的折算系数，k＝1-((2*死区时间+最小脉宽)/开关时间)，一般在0.95左右。
其控制原理如下：第三功率管Q3导通，第四功率管Q4关断，第一功率管Q1与第二功率管Q2之间互补导通并留有一个死区时间防止直通，定义对应的第一功率管Q1输出占空比为D，则可以得到对应U2电压与U1电压之间的关系：
U2＝DU1 (4)
对应电感纹波电流表达式为：
Figure BDA0004081871450000062
将表达式(4)和(5)进行整合得到
Figure BDA0004081871450000063
Ts为开关周期；L为电感值；iBuck为buck模式时电感电流纹波峰峰值。
通过调节占空比D可以实现U2的输出电压调节，即在U1>kU2的情况下，当电压U1不变，当U2电压为一半U1时，对应的纹波电流最大。
对应的其整体波形控制过程如图4所示：
可选地，若第二电压大于k倍的第一电压，采用Boost电路控制方式，包括：
若第二电压大于k倍的第一电压，第一功率管导通，第二功率管关断，第三功率管与第四功率管之间互补导通并留有一个死区时间防止直通，确定第三功率管的输出占空比；
根据第三功率管的输出占空比，对第二电压进行调节。
可选地，根据第三功率管的输出占空比，对第二电压进行调节，包括：
确定第一电压与第二电压之间的关系：
U1＝DU2；
其中，U1为第一电压，U2为第二电压；D为第一功率管的输出占空比；
确定电感纹波，电感纹波的电流表达式为：
Figure BDA0004081871450000071
其中，Ts为开关周期；L为电感值；iBoost为boost模式时电感电流纹波峰峰值。
具体地，控制原理如下：Q1导通，Q2关断，Q3与Q4之间互补导通并留有一个死区时间防止直通，定义对应的Q3输出占空比为D，则可以得到对应U2电压与U1电压之间的关系：
U1＝DU2 (7)
对应电感纹波电流表达式为：
Figure BDA0004081871450000072
将表达式(7)和(8)进行整合得到
Figure BDA0004081871450000073
通过调节占空比D可以实现U2的输出电压调节，即在(U2/k)>U1的情况下，当电压U2不变，当U1电压为一半U2时，对应的纹波电流最大。对应的其整体波形控制过程如图5所示。
可选地，该方法还包括：
采用第一公式，获取功率密度小于第一预设值、以及效率小于第二预设值和电感值小于第三预设值的电感；
第一公式为：
Figure BDA0004081871450000074
其中，iBuck-Boost为buck-boost模式时电感电流纹波峰峰值。
采用这种控制方式相对传统Buck-Boost双向控制方式可以看出，结合公式(3)和(6)可得buck-boost模式与boost模式，两种模式对应的电感纹波电流峰峰值差值：
Figure BDA0004081871450000081
可以看到在同样的U1和U2电压下以及开关频率和电感量下，对应三段式控制的第一段与传统Buck-Boost双向控制方式相比电感纹波电流更小，这样相对传统Buck-Boost双向控制方式来说三段式控制第一段可以获取更高的功率密度以及效率和需要更小的电感。
可选地，该方法还包括：
采用第二公式，获取功率密度小于第一预设值、以及效率小于第二预设值和电感值小于第三预设值的电感；
第二公式为：
Figure BDA0004081871450000082
采用这种控制方式相对传统Buck-Boost双向控制方式可以看出，结合公式(3)和(9)可得：
Figure BDA0004081871450000083
可以看到在同样的U1和U2电压下以及开关频率和电感量下，对应三段式控制的第三段与传统Buck-Boost双向控制方式相比电感纹波电流更小，这样相对传统Buck-Boost双向控制方式来说三段式控制第三段可以获取更高的功率密度以及效率和需要更小的电感。
通过本发明实施例在同样的参数下，采用三段式双向升降压控制相对传统Buck-Boost双向控制方式相比具有更高的效率以及更小的电感开关纹波电流。
本发明实施例提供的基于双向升降压拓扑电路的控制方法，应用于双向升降压拓扑电路，该方法包括：获取第一功率管的漏极和第二功率管的源极之间的第一电压；获取第三功率管的漏极和第四功率管的源极之间的第二电压；通过判断第一电压和第二电压，确定不同的控制策略，在原有的双向升降压拓扑的基础上采用一种双向升降压三段式控制，相对传统的双向升降压控制方式，具有更高的效率以及功率密度。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、电子设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理电子设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理电子设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理电子设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理电子设备上，使得在计算机或其他可编程电子设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程电子设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者电子设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者电子设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者电子设备中还存在另外的相同要素。

Claims (8)

1.一种基于双向升降压拓扑电路的控制方法，其特征在于，应用于双向升降压拓扑电路，所述双向升降压拓扑电路包括第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管，其中，所述第一功率管的漏极与第一电压源的第一端相连，所述第一功率管的源极与所述第二功率管的漏极相连，所述第二功率管的源极与第一电压源的第二端相连，所述第三功率管的漏极与第二电压端的第一端相连，所述第三功率管的源极与第四功率管的漏极相连，所述第四功率管的源极与第二电压源的第二端相连，所述第一功率管的源极与所述第三功率管的源极相连，所述方法包括：
获取所述第一功率管的漏极和所述第二功率管的源极之间的第一电压；
获取所述第三功率管的漏极和所述第四功率管的源极之间的第二电压；
通过判断所述第一电压和所述第二电压，确定不同的控制策略。
2.根据权利要求1所述的基于双向升降压拓扑电路的控制方法，其特征在于，所述通过判断所述第一电压和所述第二电压，确定不同的控制策略，包括：
若所述第一电压大于k倍的第二电压，采用Buck电路控制方式，其中，所述k是根据死区时间、最小脉宽和开关时间确定的；
若所述第二电压小于k倍的第一电压，且所述第一电压小于k倍的第二电压，采用Buck-Boost电路控制方式；
若所述第二电压大于k倍的第一电压，采用Boost电路控制方式。
3.根据权利要求2所述的基于双向升降压拓扑电路的控制方法，其特征在于，所述若所述第一电压大于k倍的第二电压，采用Buck电路控制方式，包括：
若所述第一电压大于k倍的第二电压，所述第三功率管导通，第四功率管关断，所述第一功率管与所述第二功率管之间互补导通并留有一个死区时间防止直通，确定所述第一功率管的输出占空比；
根据所述第一功率管的输出占空比，对所述第二电压进行调节。
4.根据权利要求3所述的基于双向升降压拓扑电路的控制方法，其特征在于，所述根据所述第一功率管的输出占空比，对所述第二电压进行调节，包括：
确定第一电压与第二电压之间的关系：
U2＝DU1；
其中，U1为第一电压，U2为第二电压；D为第一功率管的输出占空比；
确定电感纹波，所述电感纹波的电流表达式为：
Figure FDA0004081871430000021
其中，Ts为开关周期；L为电感值；iBuck为buck模式时电感电流纹波峰峰值。
5.根据权利要求3所述的基于双向升降压拓扑电路的控制方法，其特征在于，所述若所述第二电压大于k倍的第一电压，采用Boost电路控制方式，包括：
所述若所述第二电压大于k倍的第一电压，所述第一功率管导通，所述第二功率管关断，所述第三功率管与所述第四功率管之间互补导通并留有一个死区时间防止直通，确定所述第三功率管的输出占空比；
根据所述第三功率管的输出占空比，对所述第二电压进行调节。
6.根据权利要求3所述的基于双向升降压拓扑电路的控制方法，其特征在于，所述根据所述第三功率管的输出占空比，对所述第二电压进行调节，包括：
确定第一电压与第二电压之间的关系：
U1＝DU2；
其中，U1为第一电压，U2为第二电压；D为第一功率管的输出占空比；
确定电感纹波，所述电感纹波的电流表达式为：
Figure FDA0004081871430000022
其中，Ts为开关周期；L为电感值；iBoost为boost模式时电感电流纹波峰峰值。
7.根据权利要求2所述的基于双向升降压拓扑电路的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用第一公式，获取功率密度小于第一预设值、以及效率小于第二预设值和电感值小于第三预设值的电感；
所述第一公式为：
Figure FDA0004081871430000031
其中，iBuck-Boost为buck-boost模式时电感电流纹波峰峰值。
8.根据权利要求7所述的基于双向升降压拓扑电路的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用第二公式，获取功率密度小于第一预设值、以及效率小于第二预设值和电感值小于第三预设值的电感；
所述第二公式中的buck-boost模式与boost模式，两种模式对应的电感纹波电流峰峰值差值为：
Figure FDA0004081871430000032
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