基于三模控制的四開關變換器設計

曹以龍，朱冬冬，吳 丹

(上海電力大學電子與信息工程學院，上海 200090)

如今各行各業均與各式各樣的電源有著密不可分的關系，不管從事什么行業，如醫學、軍事、汽車等，均有著電源技術的加入[1]，電源技術的成長與國民經濟日益密切，傳統的電源主要有模擬電源和數字電源，隨著數字芯片的發展，近年來，數字電源越加熱門[2]。

目前，常用的電源拓撲主要有升壓Boost 電路、降壓Buck電路和一些非隔離式降壓-升壓轉換器電路。轉換器主要分Buck-Boost 轉換器、Cuk 轉換器、Zeta 轉換器 和SEPIC 轉換器[3-4]。但是Buck-Boost 轉換器和Cuk 轉換器的輸入和輸出電壓極性相反，因此難以實現輔助電源和驅動，并且開關管的電壓應力為輸入和輸出電壓之和[5-6]。Zeta 轉換器和SEPIC轉換器的輸入和輸出極性相同。但是，有許多無源元件不利于功率密度的提高[7]。它們還具有開關晶體管的高電壓應力問題。與上述常規降壓-升壓轉換器相比，四開關降壓-升壓轉換器(FSBB)具有功率器件的電壓應力低、無源元件更少以及輸入和輸出電壓的極性相同的優點[8]。

1 FSBB 控制原理

1.1 FSBB 電路拓撲

FSBB 變換器的基本結構如圖1 所示。

圖1 FSBB的基本結構

整個系統基本結構是由續流電感L，開關管S1、S2、S3、S4以及輸出電容C 組成，Vin為輸入電壓，Vout為輸出電壓。為了方便分析計算，假設所有器件均可以工作在理論狀態，輸出電容C能夠穩定輸出電壓Vout的值，開關器件均處于理想狀態。

V1是電感L 的輸入電壓，與開關管S1 的關系如式(1):

式中：DS1為開關管S1 的占空比。L 的輸出電壓V2與輸出電壓關系為[9]:

式中：DS4為開關管S4 的占空比。根據電路穩態工作時，一個開關周期內FSBB 電路的L 電壓的平均值為零，則：V1=V2;聯立式(1)～(2)，得到在Matlab中繪制出M與DS1、DS4的關系，見圖2。可以看出該電路存在兩個自由度DS1、DS4，通過控制DS1、DS4拓寬變換器的輸出范圍，具有靈活的調節性能[11]。

圖2 M與占空比的關系

1.2 FSBB 控制方案

FSBB 電路常見的控制方案一般有單模控制、雙模控制以及三模控制等[12]。本文采用常見三模控制，并且在中間升降壓區間加以改進，在該區間雙管驅動，控制原理如圖3所示。

圖3 FSBB控制原理

在圖3 中，DS1和DS4作為四開關電路的占空比，采用脈沖寬度調制方式，h是兩個占空比DS1、DS4之間的差值，鋸齒載波的高信號為VH，低信號為VL,VH-VL=1。其中DS1=DS4+h,h<1。

采用三模控制可以解決四開關普遍存在的由于占空比的死區限制導致的輸出電壓不連續的問題，如圖3 所示，當VL

當系統閉環控制只有PI 控制器時，輸出電壓中摻雜了一定含量二倍工頻紋波，降低輸出電壓Vout的二倍工頻紋波分量可以減少輸入電流的畸變率。同時二倍工頻紋波分量的存在也會降低系統的響應速度[13]。本文在電壓環加入功率前饋，加快系統響應。系統程序框圖如圖4 所示。

圖4 程序結構圖

圖4 中LPF 為數字慣性濾波器，用以將輸入輸出電壓與噪聲分離，提高輸入輸出電壓的抗干擾性及信噪比，同時濾除一些諧波，提高分析精度。KP、Ki分別是PI 控制器的比例積分系數，R 作為一個模式選擇器，選擇相對應系統的模態。λ為參考功率反饋系數，加入功率前饋控制，有效地消除輸入到輸出的擾動。

2 模塊化半橋整流電路設計

采用該方案設計的數字電源具有靈活的動態輸出性能，由于兩個自由度互不干擾，核心部分是兩個半橋整流電路元件選型。本文采用模塊化設計的半橋整流電路結構與主電路通過插排連接。半橋整流電路結構如圖5 所示。

圖5 模塊化半橋結構圖

圖5 為一個半橋結構的原理圖和硬件實物圖，為了節約設計成本，方便后期維護，采用模塊化插排式設計，電源的預設計輸入電壓為5～15 V，輸出電壓為0～35 V,所以采用的PWM 驅動芯片為TLP-152 驅動芯片，兩個黃色繞組線圈原件是自制雙繞組變壓器，通過電源芯片SN6501 輸出±15 V 的電壓給PWM 驅動芯片TLP-152 供電，所選用的元器件成本低、通用和易獲得。開關管選型為STB30NF20，其擊穿電壓為200 V，額定電流30 A，具有充足設計裕度。

3 實驗分析

根據理論分析，在實驗室有限的條件下搭建了一個30 W的基于FSBB 數字電源樣機，樣機桌面實驗見圖6。

圖6 數字電源實驗圖

實驗電路控制芯片采用TMS28069 型DSP，續流電感感值為20 μH，輸出電容采用2 個串聯的330 μF 的電容再并聯，輸入電壓5～15 V，輸出電壓0～30 V，開關頻率為20 kHz。圖7為半橋模塊驅動信號測試截圖。

圖7 半橋模塊驅動信號測試

圖7(a)為開關頻率20 kHz 下兩個半橋模塊中開關管S1和S4 的占空比為0.3 和0.7 的驅動電壓截圖，可以看出驅動芯片能夠穩定輸出驅動電壓，圖7(b)為實驗中間模態向升壓模態過渡階段占空比截圖，可以看出驅動信號的占空比能夠平穩過渡，死區空間消失。圖8(a)為輸入12 V 時，輸出電壓從10 V 階躍到15 V 時輸入電壓和輸出電壓波形圖，可以看出該數字電源階躍響應大概為20 ms 左右，動態響應好；圖8(b)為輸入電壓12 V 不變時，調節輸出電壓從15 V 變為20 V，可以看出穩定輸出電壓能快速跟隨給定電壓，輸出電壓沒有較大的波動，紋波小。通過多次實驗，發現負載值越大，系統效率越高，穩定性越好。

圖8 輸出階躍實驗截圖

圖9 為FSBB 電源的效率。可以看出FSBB 電源的效率都在95.5%以上，具有較高的效率。在升降壓區間通過調節兩個占空比，可以改進三模控制，降低傳統三模控制時開關應力，減少了開關的損耗。其在中間模態效率比傳統三模控制提高了0.15%左右。

圖9 FSBB電源效率

4 結論

設計的基于四開關電路拓撲的數字電源的關鍵部分為兩個采用模塊化設計的半橋電路。半橋電路用開關管驅動，電路設計簡單，成本低，輸出輸入電壓范圍都很寬，加入前饋控制，輸出電壓紋波小，抗擾動能力好，動態響應快。最終實驗結果發現該方案解決了雙模控制時的輸出電壓不連續，存在電壓死區的問題。與其他升降壓變換器相比，本設計具有較寬范圍的輸出，系統輸出效率高（達到95.5%以上），動態性能好，多次實驗發現能夠在50 ms 內穩定追蹤給定電壓。改進三模控制與傳統三模控制相比較在中間模態效率提高了0.15%左右，本文設計的數字電源具有較好的應用前景。