[发明专利]四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法

说明书

本发明公开了一种四管Buck‑Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，属于电能变换装置的直流‑直流变换器领域。该方法通过改变开关频率控制电感电流最小值不变，使得变换器在全负载范围内实现软开关。采用电压外环与电流内环结合的双闭环控制策略进行PWM调制，在宽输入电压范围内调整变换器主功率管的PWM，达到调节Buck单元和Boost单元占空比的目的，从而控制输出电压。采用三模式控制方法，通过对输入、输出电压采样比较选择主电路的工作模式。本发明实现了适应变换器宽电压范围输入，并用最小电感电流控制与变频控制相结合，在全负载范围内实现软开关，大幅降低变换器的开关损耗。

技术领域

本发明涉及一种四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，属于电能变换装置的直流-直流变换器领域。

背景技术

电推进作为一种先进的空间推进技术，由于其高比冲、寿命长的优势，在轨道转移、深空探测等领域存在广阔的应用前景。电源处理单元(Power Processing Unit，PPU)是电推进系统的重要组成部分，其输出电压和输出功率决定了推力器的主要性能，高效率、高功率密度和高压大功率输出成为未来PPU的发展方向。为了适应电力推进系统中PPU的宽输入电压范围的需求，对宽输入范围的升降压变换器研究具有重要意义。

相较于传统的非隔离型升降压变换器(Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC)而言，四管Buck-Boost变换器具有功率器件电压应力低、无源元件数量少、输入输出电压同极性等优点，因此在需要高效率高功率密度应用场合，该拓扑具有绝对的优势。另外，四管Buck-Boost变换器有Buck单元对应占空比及开关频率、Boost单元对于占空比及开关频率、两开关管开通时刻之间移相角等多个自由度，为其优化控制提供了可能性及挑战。为了进一步减小无源元件体积，提升变换器功率密度，需要提高其开关频率，但高频硬开关不仅开关损耗大，而且会产生电磁干扰，影响变换器正常工作，因此需要实现软开关。为了充分发挥四管Buck-Boost变换器的优势，利用变换器Buck单元和Boost单元的占空比来调节输入电压与输出电压之间的关系，以适应输入电压宽范围变化的要求；并且对控制策略进一步优化，利用开关频率这一自由度来实现软开关，使变换器达到高效率、高功率密度的目标。

发明内容

为满足航空电推进系统中PPU单元高性能的要求，本发明提出了一种四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，可以在满足宽输入电压范围要求的同时提高变换器效率和功率密度。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种四管Buck-Boost变换器的三模式变频软开关控制方法，包括如下步骤：

(1)采用三模式控制方法，将输入电压与设定输出电压值进行采样比较，依据比较结果选择主电路的工作模式；

(2)依据三种模式下输入电压与输出电压之间的关系，采样输出电压和电感电流，通过电压外环和电流内环调节PWM，控制Buck单元和Boost单元的占空比；

(3)采用最小电感电流控制和变频控制方法，在不同负载条件下，得到电感电流最小值与变换器开关频率之间的关系；调节三角载波的频率来调节变换器开关频率，控制电感电流最小值不变，降低电感电流脉动。

步骤(1)的具体过程如下：所述将输入电压与设定输出电压值进行采样比较，依据比较结果选择主电路的工作模式具体如下：当输入电压V_in低于V_o-ΔV时，变换器工作于Boost模式；当V_in高于V_o+ΔV时，变换器工作于Buck模式；当V_in位于[V_o-ΔV，V_o+ΔV]区域时，变换器工作于Buck-Boost模式。

步骤(2)所述三种模式下输入电压与输出电压之间的关系如下：