一種輸出電壓寬范圍可調(diào)電源的設(shè)計新思路

顏 紅，王艷春

(蚌埠學院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030)

一種輸出電壓寬范圍可調(diào)電源的設(shè)計新思路

顏 紅，王艷春

(蚌埠學院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030)

設(shè)計提出了用Buck和Boost變換器模塊級聯(lián)或并聯(lián)組合來實現(xiàn)電源的輸出電壓寬范圍可調(diào)功能，并對組合后的電路結(jié)構(gòu)進行了分析和簡化，提出了開關(guān)管同開同關(guān)、分時控制以及組合控制等三種級聯(lián)控制方式，尤其是組合控制方式結(jié)合了前兩者的優(yōu)點，既實現(xiàn)了占空比寬范圍可調(diào)，又保證了升降壓切換平滑。仿真結(jié)果驗證了電路結(jié)構(gòu)及控制方式的正確性及可行性。文章所提出的電路結(jié)構(gòu)及控制方式具有輸出電壓可調(diào)范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制電路簡單易實現(xiàn)等優(yōu)點。

寬范圍可調(diào)；Buck；Boost；級聯(lián)；分時控制

電源是用電設(shè)備中重要的組成部分，尤其在醫(yī)療器械、電子設(shè)備的研發(fā)及實驗室等多種行業(yè)的測試電源中，不僅要求其具有效率高、體積小、功率大等特點，還要求有良好的動態(tài)性能和提供輸出電壓寬范圍可調(diào)的能力。在這種要求下，開關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)勢，逐漸取代了傳統(tǒng)的線性電源，目前的輸出電壓寬范圍可調(diào)電源基本上都是采用開關(guān)電源來實現(xiàn)。而用開關(guān)電源實現(xiàn)輸出電壓寬范圍可調(diào)的主要問題在于變換器的占空比變化范圍很大，可能會超出變換器所能承受的最大值和最小值，造成系統(tǒng)無法實現(xiàn)。目前已經(jīng)提出了多種方案來解決此問題，但是仍然存在著或多或少的缺陷。這些方案可以分為兩大類：變頻率型及變結(jié)構(gòu)型[1]。在低壓時降低開關(guān)頻率，可以增大調(diào)節(jié)范圍，如文獻[2-3]等都采用了這種方式。但是電路頻率的改變，必然使得磁性元件的設(shè)計難以優(yōu)化。變結(jié)構(gòu)型主要有兩級式調(diào)節(jié)和串并聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換等方式，如文獻[4-5]在傳統(tǒng)的降壓電路前加前置調(diào)節(jié)電路，或者采用兩級式調(diào)節(jié)的方式，通過兩次調(diào)節(jié)，占空比的調(diào)節(jié)范圍可以大大縮小；文獻[6-7]提出的變結(jié)構(gòu)DC-DC變換器，則采用多個DC-DC模塊輸入端并聯(lián)，輸出端根據(jù)輸出電壓的需要或串或并。變結(jié)構(gòu)型占空比調(diào)節(jié)的范圍可以非常寬，調(diào)節(jié)精度較高，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制方式也比較繁瑣。本文所提出的設(shè)計思路是將簡單的變換器進行級聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成輸出電壓可升可降的新電路結(jié)構(gòu)，而且電路結(jié)構(gòu)及控制方式都相對簡單。

當輸入電壓可調(diào)范圍有限，而輸出要求寬范圍可調(diào)時，就會遇到有時要升壓，而有時要降壓的情況。Buck和Boost變換器分別是降壓和升壓變換器中結(jié)構(gòu)最簡單的，那么可以考慮將這兩個變換器模塊化后進行級聯(lián)或者并聯(lián)組合，以實現(xiàn)輸出電壓寬范圍調(diào)節(jié)的目的。由于兩者功能不同，不能同時工作，需要對其控制方式進行改進才能實現(xiàn)升壓和降壓。由于將整個輸出電壓分成了升壓和降壓兩部分分別控制，每一部分的占空比調(diào)節(jié)范圍都是0～1，因此占空比的范圍被擴大了一倍。這種組合方式靈活多變，且結(jié)構(gòu)簡單，控制方式易于實現(xiàn)，能有效的實現(xiàn)輸出電壓的寬范圍可調(diào)。本文將針對兩種組合方式下的電路結(jié)構(gòu)分別進行討論和改進，并提出相應(yīng)的控制策略，最后進行仿真驗證，以證明其電路結(jié)構(gòu)以及控制策略的正確性及可行性。

1 Buck與Boost模塊的組合方式

1.1 Buck和Boost模塊并聯(lián)組合

Buck與Boost模塊并聯(lián)組合電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中在基本模塊并聯(lián)后加入了一些輔助模塊，以保證并聯(lián)后的電路能正常工作。在Boost模塊中需加入開關(guān)管Q3_p，其目的是為了防止當輸出電壓低于輸入電壓時，二極管Dr1導(dǎo)通，電感L1飽和，使得輸出與輸入短接，造成輸出電壓無法調(diào)節(jié)。此開關(guān)也可以放置在電容C1的前端。而當輸出電壓高于輸入電壓時，Buck模塊不工作，但此時為了防止輸出電流沿Buck模塊的電感和開關(guān)管的寄生二極管反向流動，需加入單向?qū)ǖ亩O管，將高低壓隔離開來。

由于Buck模塊的功能為降壓，而Boost模塊的功能為升壓，因此兩個模塊不能同時工作，需采用分時控制。分時控制的工作原理是：當輸出電壓要求高于輸入電壓時Boost模塊工作，實現(xiàn)升壓，反之，當輸出電壓要求低于輸入電壓時Buck模塊工作，實現(xiàn)降壓，并且當Boost模塊工作時開關(guān)管Q3_p一直導(dǎo)通，而Buck模塊工作時開關(guān)管Q3_p一直關(guān)斷。顯然，當Boost模塊單獨工作時，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿足Uo=Ui(1-D1)，其中D1為開關(guān)管Q3_p的占空比；當Buck模塊單獨工作時，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿足Uo=UiD2，其中D2為開關(guān)管Q2_p的占空比。那么，在整個輸出電壓范圍中，升壓部分和降壓部分的占空比調(diào)節(jié)范圍都為0～1，與單模塊相比其占空比調(diào)節(jié)范圍擴大了一倍。

圖1 Buck和Boost模塊并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)

1.2 Buck與Boost模塊級聯(lián)組合

1.2.1 電路結(jié)構(gòu)

Buck與Boost模塊的級聯(lián)組合有兩種形式，一種是Boost在前Buck在后，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，另外一種則相反，Buck在前Boost在后。兩種組合形式的本質(zhì)是一樣的，控制方法也一樣，僅在電路結(jié)構(gòu)上有區(qū)別。由于Buck在前Boost在后的電路結(jié)構(gòu)能夠進一步化簡，結(jié)構(gòu)更為簡單，因此我們以這種結(jié)構(gòu)為例進行分析。

圖2 Boost在前Buck在后的模塊串聯(lián)電路

級聯(lián)時，將Buck模塊的負載去掉， Boost模塊的電源部分去掉，再將兩者級聯(lián)起來，可以得到Buck在前Boost在后的級聯(lián)方式，如圖3所示。顯然電路中間的緩沖部分冗余，可以簡化。考慮到電容C1上的電流平均值為零，而電感L1和L2上的電流平均值相等，因此C1可以省略，而L1和L2可以合并為一個電感[8]。另外，推導(dǎo)出來的電路需要應(yīng)用到電壓比較高的場合，并且為了減小電容和電感的體積，需要采用較高的頻率，那么續(xù)流二極管要求能同時工作在高頻和高壓下。考慮到高壓的肖特基二極管價格很高，而普通二極管頻率參數(shù)又不符，因此我們用MOSFET代替二極管，實現(xiàn)續(xù)流功能。簡化后的電路拓撲如圖4所示[9]。

圖3 Buck在前Boost在后的級聯(lián)電路

圖4 Buck在前Boost在后的級聯(lián)簡化電路

1.2.2 控制方式

Buck在前Boost在后組合方式的電路結(jié)構(gòu)非常簡單，由于開關(guān)管Q1和Q3互補導(dǎo)通，Q2和Q4互補導(dǎo)通，因此只需要考慮Q1和Q2的控制方式。Q1和Q2有兩種控制方式，一種是對開關(guān)管Q1和Q2分別進行脈沖寬度調(diào)制，即分時控制：當輸出電壓要求低于輸入電壓時，對開關(guān)管Q1進行脈寬調(diào)節(jié)控制，而開關(guān)管Q2一直關(guān)斷，那么此時的等效電路就是一個Buck變換器，實現(xiàn)降壓功能。此時輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系符合Ui=D1Uo，D1為開關(guān)管Q1的占空比，通過調(diào)節(jié)D1即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。當輸出電壓要求高于輸入電壓時，對開關(guān)管Q2進行脈寬調(diào)節(jié)控制，而開關(guān)管Q1一直開通，開關(guān)管Q3一直截止，那么此時的等效電路就是一個Boost變換器，實現(xiàn)升壓功能。此時輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式為Ui=Uo/(1-D2)，D2為開關(guān)管Q2的占空比，通過調(diào)節(jié)D2即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。這種控制方式和并聯(lián)組合方式有著同樣的優(yōu)點：升壓部分和降壓部分的占空比調(diào)節(jié)范圍都為0～1，相當于將調(diào)節(jié)范圍擴大了一倍。但是這種控制方式也存在著缺陷：升壓和降壓轉(zhuǎn)換時，輸出電壓會因為開關(guān)管占空比的劇烈變化造成波動。

第二種控制方式為Q1、Q2同開同關(guān)脈寬調(diào)制方式：Q1、Q2控制同時開通和關(guān)斷，即同開同關(guān)方式。當Q1、Q2開通時，Q3關(guān)斷，電感L充電，承受的電壓為Ui，電感電流上升；當Q1、Q2關(guān)斷時，電感L放電，承受的電壓為-Uo，電感電流下降。根據(jù)電感L1和L2的伏秒平衡，可推出輸入輸出電壓關(guān)系式為Ui= DUo/(1-D)，D為兩個開關(guān)管的共同的占空比。顯然，當D>0.5時，實現(xiàn)升壓；D<0.5時，實現(xiàn)降壓。這種控制方式不具備分時控制占空比調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點，但是其升降壓之間的切換非常平滑。

通過對比兩種控制方式，可發(fā)現(xiàn)兩者的優(yōu)缺點正好互補，因此可以考慮將兩種控制方式結(jié)合起來應(yīng)用，即組合控制方式。

1.2.3 組合控制方式

組合控制方式的提出是為了保留分時控制在輸出低壓或高壓時寬占空比調(diào)節(jié)范圍的優(yōu)點，以及同開同關(guān)方式在高低壓轉(zhuǎn)換時的平滑特性。為此，需要先將輸出電壓劃分范圍，如當輸出電壓低于輸入電壓的90%時，使電路工作在Buck模式，當輸出電壓高于輸入電壓的110%時，使電路工作在Boost模式，而在輸入電壓的90%～110%范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換成同開同關(guān)模式。組合控制方式的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，當輸出電壓高于輸入電壓的110%時，Boost信號為高電平，Q1的占空比置1，Q3的占空比置0，Buck信號也為高電平，Q2的占空比由電壓環(huán)信號決定。如果沒有緩沖環(huán)節(jié)，則占空比的變化同樣會引起輸出電壓的波動，只不過波動的幅度會小于分時控制所造成的影響。那么為了實現(xiàn)平滑切換，采用RC來進行緩沖，切換時電容充放電，則與鋸齒波交截的電壓逐漸變化，Q1的占空比逐漸增大或減小，此時Q2的占空比仍然在調(diào)節(jié)以保證輸出電壓的穩(wěn)定。同理，當輸出電壓低于輸入電壓的90%時，Buck信號為低電平，Q2的占空比置0，Boost信號為高電平，Q1的占空比由電壓環(huán)信號決定。由于電壓環(huán)信號與Buck信號存在電壓差，因此不能用RC來進行緩沖，只能采用PI調(diào)節(jié)的方式，其效果與RC緩沖電路相比要差一些。在PI調(diào)節(jié)的作用下，Q2的占空比被逐漸增大或減小，此時Q1的占空比仍然在調(diào)節(jié)以保證輸出電壓的穩(wěn)定，同時在電壓環(huán)調(diào)節(jié)信號上需加入隔離以防止Buck信號影響到Q1的占空比調(diào)節(jié)。

圖5 組合控制方式結(jié)構(gòu)圖

2 仿真驗證

采用仿真軟件Saber對Buck在前Boost在后的級聯(lián)方式進行仿真驗證，仿真參數(shù)為：輸入DC 100 V，輸出電壓控制在DC 20～200 V范圍內(nèi)變化，開關(guān)頻率為50 kHz。組合控制方式的轉(zhuǎn)換電壓設(shè)為90 V和110 V。

圖6給出了兩個開關(guān)管同開同關(guān)時的波形。a圖為降壓波形，可以看出輸出電壓Uo_c很好的穩(wěn)定在DC 20 V，此時兩個開關(guān)管的占空比一致，且等于0.167；b圖給出了升壓時的波形，輸出電壓穩(wěn)定在DC 200 V，兩個開關(guān)管的占空比等于0.667。

圖6 級聯(lián)同開同關(guān)方式工作波形

圖7給出了采用分時控制時的波形。a圖中輸出電壓Uo_s同樣能很好的穩(wěn)定在DC 20 V上，從驅(qū)動波形看，開關(guān)管Q1在進行脈寬調(diào)制，而開關(guān)管Q2一直關(guān)斷，變換器處于Buck模式，實現(xiàn)降壓功能； b圖是這種控制方式下的升壓波形，此時輸出電壓穩(wěn)定在DC 200 V，開關(guān)管Q1一直開通，開關(guān)管Q2在進行脈寬調(diào)制，變換器處于Boost模式，實現(xiàn)升壓功能。與同開同關(guān)方式相比，相同的輸出電壓下，分時控制的占空比調(diào)節(jié)余量顯然高于同開同關(guān)方式。

圖7 級聯(lián)分時控制方式工作波形

圖8給出了級聯(lián)的兩種控制方式以及模塊并聯(lián)時輸出電壓由DC 80 V連續(xù)調(diào)至DC 120 V的輸出電壓波形圖，其中第一個波形為級聯(lián)同開同關(guān)方式，第二個波形為級聯(lián)分時控制模式，第三個波形為模塊并聯(lián)模式。顯然同開同關(guān)方式的升降壓切換最為平滑，而另外兩種方式由于開關(guān)管的切換，導(dǎo)致輸出電壓在升降壓切換時發(fā)生波動。

圖9為組合控制方式的波形圖。輸出電壓在90 V之前，Q2一直關(guān)斷，處于Buck模式；之后，Q2開通，Q1和Q2同開同關(guān)；當輸出電壓到達110 V后，Q2一直導(dǎo)通，處于Boost工作狀態(tài)。從輸出電壓的波形可以看出，切換到Boost工作狀態(tài)的過程，很好的實現(xiàn)了平滑切換。而由Buck工作狀態(tài)切換到同開同關(guān)方式時，仍有一定的波動，但是相比并聯(lián)方式和分時控制，波動幅度大為減小。

圖8 降壓到升壓過程波形比較圖9 組合控制方式工作波形

仿真結(jié)果說明所提出的電路結(jié)構(gòu)和控制方式都能很好的實現(xiàn)輸出電壓寬范圍可調(diào)的功能，尤其是組合控制方式，結(jié)合了同開同關(guān)和分時控制方式的優(yōu)點，其占空比寬范圍可調(diào)，并且升降壓切換平滑。

3 結(jié)語

本文提出了通過Buck變換器和Boost變換器進行級聯(lián)或并聯(lián)組合，來實現(xiàn)開關(guān)電源的輸出電壓寬范圍可調(diào)。文章對電路結(jié)構(gòu)和控制方式進行了推導(dǎo)和優(yōu)化，并進行了仿真驗證，仿真結(jié)果驗證了其正確性和可行性。其中，Buck在前Boost在后級聯(lián)方式的電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，控制方式簡單易行，具有輸出電壓寬范圍可調(diào)、高低壓切換平滑等特點，具有廣闊的市場前景。

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[責任編輯：寸曉非]

2014-09-25

蚌埠學院自然科學研究項目(2011ZR14)；安徽省高等學校省級自然科學研究項目(KJ2013Z193)；安徽省高等學校省級自然科學研究項目(KJ2013Z201)

顏紅(1979-)，女，湖南株洲人，蚌埠學院機械與電子工程系講師，碩士。

TM46

A

1008-4657(2014)06-0077-05