适用于宽输入电压范围的Buck-Boost直流变换器及其控制策略的研究

摘要

双管Buck-Boost变换器具有升降压功能、输入输出极性相同、无源元件少以及开关器件电压应力低等诸多优点，已在很多宽输入电压范围场合得到应用。但是该变换器不具有电气隔离功能，且在实现高效率的两模式控制策略下，其输出电压只能限定在输入电压范围内。为此，本文研究具有电气隔离功能的Buck-Boost变换器的电路拓扑及其控制策略，实现高的变换效率和良好的动态响应，以适应宽输入电压范围且同时要求电气隔离的场合，如光伏发电系统、燃料电池供电系统和分布式电源系统等。
　　本文主要包括三部分。
　　第一部分为第二章，详细分析双管Buck-Boost变换器的两模式控制方法，为隔离型Buck-Boost变换器的研究打下基础和提供思路。该章首先从减小电感电流平均值的角度出发，推导出双管Buck-Boost变换器的两模式控制，即当输入电压分别高于和低于输出电压时，变换器分别工作在Buck和Boost模式。与单模式控制相比，两模式控制可以有效减小变换器的导通损耗和开关损耗，实现变换器在整个输入电压范围内的高效率变换。为了实现双管Buck-Boost变换器两个工作模式的自动切换，第二章对双调制信号-单载波的两模式控制方法进行了分析，并给出了工作模式自动平滑切换的条件。此外，第二章还建立了两模式控制方法下双管Buck-Boost变换器的小信号模型，进行了相应的闭环设计，并在一台输入250V~500V、输出360V、额定功率6kW的双管 Buck-Boost变换器原理样机上进行了实验验证。
　　第二部分为第三章，在双管Buck-Boost变换器的基础上推导出一族隔离型Buck-Boost变换器，并以全桥-Boost变换器为例，提出了其模式自动切换的高效率控制方法。高效率控制方法主要包括1）两模式控制：高输入电压区间和低输入电压区间全桥-Boost变换器分别工作在全桥和Boost模式，以减小电感电流平均值，从而减小导通损耗；2）基于移相控制的双沿调制：移相控制可以实现全桥单元开关管的零电压开关，以减小开关损耗，而且考虑到谐振电感（含变压器漏感）导致的占空比丢失，全桥和Boost单元只有分别采用前沿和后沿调制才能使电感电流脉动最小，进一步减小导通损耗；3）双频控制：在折算到变压器副边的输入电压和输出电压接近的工作区间，由于电感电流脉动很小，为此可将Boost单元的开关频率降低为原开关频率的1/(2N+1)，N为正整数，以进一步减小变换器的开关损耗，并避免变压器的直流磁化；进一步，将所提出的高效率控制方法和双调制-单载波控制方法结合在一起，可以同时实现变换器整个输入电压范围内的高效率变换和工作模式的自动平滑切换。第三章还讨论了变压器变比的优化设计，建立了模式自动切换高效率控制方法下全桥-Boost变换器的小信号模型，并进行了相应的闭环设计。同样的，在一台输入电压250V~500V、输出电压360V、额定功率6kW的全桥-Boost变换器原理样机上验证了所提出的模式自动切换高效率控制方法的有效性。
　　第三部分为第四章，研究全桥-Boost变换器的输入电压前馈方法以减小输入电压扰动对输出电压的影响，提高变换器的动态特性。该章首先推导了全桥-Boost变换器不同工作模式下的输入电压前馈函数。进一步，考虑前馈函数的小信号和大信号实现方式，分别提出了加入小信号和大信号输入电压前馈的模式自动切换控制策略。采用这两种控制策时，全桥-Boost变换器都能实现工作模式和相应输入电压前馈函数的同时自动选择，从而同时保证变换器的高效率变换和良好的动态响应。小信号和大信号输入电压前馈都能有效抑制输入电压扰动对输出电压的影响，相比较而言，大信号输入电压前馈实现方式较复杂，但对输入电压扰动的抑制效果更好，模式切换更为平滑。此外，第四章还将加入小信号和大信号输入电压前馈的模式自动切换控制策略应用到双管Buck-Boost变换器中，并分别在双管Buck-Boost变换器和全桥-Boost变换器的原理样机上进行了相应的实验验证。

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1 绪论

1.1 双管Buck-Boost变换器的起源和特点

1.2 双管Buck-Boost变换器的应用

1.3 双管Buck-Boost变换器的研究现状

1.4 本文的研究内容和意义

2 双管Buck-Boost变换器的两模式控制方法

2.1 引言

2.2 双管Buck-Boost变换器的两模式控制方法

2.3 双管Buck-Boost变换器的闭环设计

2.4 实验验证

2.5 本章小结

3 全桥-Boost变换器及其两模式双沿双频控制方法

3.1 引言

3.2 隔离型Buck-Boost变换器的推导

3.3 全桥-Boost变换器的输入输出关系

3.4 基于移相控制的双沿调制策略

3.5 两模式双沿控制方法

3.6 变压器变比的优化设计

3.7 两模式双沿双频控制方法

3.8 全桥-Boost变换器的闭环参数设计

3.9 实验验证

3.10 本章小结

4 带输入电压前馈的两模式双沿控制策略

4.1 引言

4.2 全桥-Boost变换器输入电压前馈函数的推导

4.3 加入小信号输入电压前馈的两模式双沿控制策略

4.4 加入大信号输入电压前馈的模式自动切换控制策略

4.5 加入输入电压前馈前后的模式自动切换控制策略的比较

4.6 带输入电压前馈的模式自动切换控制策略在双管Buck-Boost变换器中

4.7 实验验证

4.8 本章小结

5 工作总结及展望

5.1 本文的主要工作

5.2 下一步要做的工作

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文