專利名稱：全橋-Boost直流變換器電感電流脈動最小調(diào)制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明所涉及的是一種電能變換裝置的調(diào)制方法，具體為一種使直流變換器電感 電流脈動最小的調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對電能變換裝置的要求越來越高，其中變換裝置的高功率密度和高效率一直都是電力電子技術(shù)發(fā)展的趨勢。變換裝置中電感的體積是影響其功 率密度的關鍵因素之一，而電感電流脈動的大小又直接影響變換裝置中電感量的大小，最 終影響變換裝置的功率密度；另一方面，變換裝置中開關管的導通損耗由電感電流有效值 決定，而電感電流有效值是由電感電流平均值和電感電流脈動兩部分組成，即電感電流脈 動的大小同時也影響變換裝置的效率。減小電感電流脈動將有利于提高變換裝置的功率密 度和效率。雙管Buck-Boost變換器，其具有升降壓功能，可以在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn) 變換器的高效率，已經(jīng)在并網(wǎng)逆變器、燃料電池和通訊電源等較寬輸入電壓范圍場合得到 應用。雙管Buck-Boost變換器是由Buck變換器和Boost變換器級聯(lián)并簡化而成，其結(jié) 構(gòu)包括輸入源lA、Buck單元2A、儲能電感3A、Boost單元4A、濾波電容5A和負載6A，如圖1 所示，其中的Buck單元是指Buck變換器除去輸入源、濾波電路和負載后的結(jié)構(gòu)單元，其由 開關管和二極管組成，同樣Boost單元是指Boost變換器除去輸入源、儲能電感、濾波電容 和負載后的結(jié)構(gòu)單元，其由開關管和二極管組成。為減小雙管Buck-Boost變換器的電感電流脈動以進一步提高變換器功率密度和 效率，有學者提出了雙沿調(diào)制方法(X. Ren, X. Ruan, H. Qian, M. Li, Q. Chen. "Three-mode dual-frequency two-edge modulation scheme forfour-switch buck-boost converter,，，IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 2, pp. 499-509, 2009)，即Buck單元采用前沿調(diào)制，Boost單元采用后沿調(diào)制，或Buck單元采用后沿調(diào)制， Boost單元采用前沿調(diào)制，可以保證整個輸入電壓范圍內(nèi)電感電流脈動最小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對雙沿調(diào)制方法在全橋-Boost變換器中存在的問題，提出 適用于全橋-Boost變換器，而且簡單易實現(xiàn)的電感電流脈動最小調(diào)制方法，提高變換器的 功率密度和效率?！N使全橋-Boost直流變換器電感電流脈動最小的調(diào)制方法，其中所述的全 橋-Boost變換器是用全橋隔離開關單元代替雙管Buck-Boost變換器的Buck單元而構(gòu)成 的一類隔離型Buck-Boost變換器，該全橋-Boost變換器結(jié)構(gòu)包括輸入源、全橋隔離開關單 元、儲能電感、Boost單元、濾波電容和負載組成，其中全橋隔離開關單元是指全橋變換器除 去輸入源、濾波電路和負載之后的結(jié)構(gòu)單元。由于采用移相控制，全橋隔離開關單元具體包括由開關管組成的全橋單元、含變壓器漏感的諧振電感k、隔離變壓器?。?、二極管組成的整 流橋單元四部分。全橋-Boost變換器包括兩個可以分別獨立控制的單元，即全橋單元和Boost單 元。為實現(xiàn)高效，全橋單元一般采用移相控制以實現(xiàn)軟開關。對于移相控制，全橋單元包括 超前橋臂和滯后橋臂，超前橋臂開關管的驅(qū)動控制信號經(jīng)過或非門后可以得到的由其死區(qū) 時間構(gòu)成的脈沖信號，該脈沖信號的脈沖寬度和幅值都滿足同步信號的要求，利用該脈沖 信號作為Boost單元的同步信號，即在超前橋臂開關管關斷的時刻開通Boost單元開關管， 從而保證變換器電感電流脈動最小。采用的具體技術(shù)方案為一種使全橋-Boost直流變換器電感電流脈動最小的調(diào)制方法，其中該全 橋-Boost直流變換器是由全橋隔離開關單元取代雙管Buck-Boost直流變換器中的Buck 單元而形成，該全橋-Boost變換器包括輸入源1、全橋隔離開關單元2、儲能電感3、Boost 單元4、濾波電容5和負載6 ；其中，所述全橋隔離開關單元是指全橋變換器除去輸入源、濾波電路和負載之后 的結(jié)構(gòu)單元，具體包括四個開關管Qi Q4組成的全橋單元、諧振電感k、隔離變壓器I；和 四個二極管Di D4組成的整流橋單元四部分。對于采用移相控制的全橋單元，其包括超前 橋臂和滯后橋臂，其特征在于，在關斷所述超前橋臂開關管的同時開通Boost單元的開關管，即可實現(xiàn)全 橋-Boost直流變換器電感電流脈動最小。作為本發(fā)明的進一步改進，獲取所述超前橋臂開關管的驅(qū)動控制信號，并進行或 非運算，得到的脈沖信號作為所述Boost單元4開關管的同步脈沖信號，即可實現(xiàn)所述在關 斷超前橋臂開關管的同時開通Boost單元4的開關管。作為本發(fā)明的進一步改進，所述脈沖信號的脈沖寬度與所述超前橋臂開關管的死 區(qū)時間相等。本發(fā)明的調(diào)制策略可以保證全橋-Boost變換器整個輸入電壓范圍內(nèi)電感電流脈 動最小，而且實現(xiàn)方式非常簡單。


圖1.雙管Buck-Boost變換器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.本發(fā)明的全橋-Boost變換器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3.本發(fā)明的調(diào)制方法硬件電路具體實施示意圖。圖4.應用本發(fā)明調(diào)制方法的全橋-Boost變換器一種工作情況下的波形示意圖。圖5.應用本發(fā)明調(diào)制方法的全橋-Boost變換器另一種工作情況下的波形示意 圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。一種使全橋-Boost直流變換器電感電流脈動最小的調(diào)制方法，其中所述的全 橋-Boost變換器是用全橋隔離開關單元代替圖1中雙管Buck-Boost變換器的Buck單元而構(gòu)成的一類隔離型Buck-Boost變換器，其主要適用于輸入電壓范圍較寬且要求電氣隔離的應用場合。該全橋-Boost變換器結(jié)構(gòu)包括輸入源1、全橋隔離開關單元2、儲能電感3、Boost 單元4、濾波電容5和負載6組成，其中全橋隔離開關單元2是指是指全橋變換器除去輸入 源、濾波電路和負載之后的結(jié)構(gòu)單元。由于采用移相控制，全橋隔離開關單元具體包括由開 關管Q1 Q4組成的全橋單元、含變壓器漏感的諧振電感‘隔離變壓器 ；、二極管D1 D4 組成的整流橋單元四部分，如圖2所示。對于采用移相控制的全橋單元，其包括超前橋臂和 滯后橋臂，其中Q1和Q3定義為超前橋臂，Q2和Q4定義為滯后橋臂。下面對圖2所述全橋-Boost直流變換器的傳輸關系進行分析。如圖2所示，其電感Lf兩端電壓分別為V1和V2，其中V1也為全橋單元整流后輸 出電壓，其平均值為V1 = W1-D1JkVin，其中Cl1為全橋單元占空比，Dltjss為諧振電感引起的 全橋單元占空比丟失，k為變壓器副邊對原邊的匝比，Vin為變換器輸入電壓。同樣V2也為 Boost單元開關管漏源極電壓，其平均值為V1 = (l-d2) V。，其中d2為Boost單元占空比，V。為
變換器輸出電壓。由于電感Lf的伏秒面積在每個Boost單元開關周期內(nèi)都為零，即巧=^， 從而可知全橋-Boost變換器輸入電壓Vin和輸出電壓V。之間的關系為V。=d^^kVm。
I-J2和雙管Buck-Boost變換器不同的是，全橋-Boost變換器的變壓器漏感和諧振電 感將引起全橋單元的占空比丟失，當全橋單元采用后沿調(diào)制，Boost單元采用前沿調(diào)制，全 橋單元有效占空比，即全橋單元整流后輸出電壓的占空比Cl1-Dltjss，和Boost單元占空比d2 的相對位置由于占空比丟失而發(fā)生變化，不滿足雙沿調(diào)制方法的要求，不能保證電感電流 脈動最小。而當全橋單元采用前沿調(diào)制，Boost單元采用后沿調(diào)制，全橋單元有效占空比和 Boost單元占空比相對位置不隨占空比丟失而變化，滿足雙沿調(diào)制方法的要求，電感電流脈 動最小。為保證變換器的高效率，全橋單元一般采用移相控制以實現(xiàn)其開關管的零電壓開 通，對于目前的移相控制芯片，如UC3875、UC3879或UC3895，均為后沿調(diào)制，如果實現(xiàn)其前 沿調(diào)制，需要增加較復雜的外圍電路。本發(fā)明利用全橋單元超前橋臂的死區(qū)時間作為Boost 單元開關管的同步信號，即在關斷所述超前橋臂開關管的時刻開通Boost單元的開關管， 在不需要增加復雜外圍電路的前提下，就可實現(xiàn)全橋-Boost直流變換器中全橋單元的前 沿調(diào)制和Boost單元的后沿調(diào)制，電感電流脈動最小。下面給出本發(fā)明調(diào)制方法硬件電路的具體實施示意圖。圖3為圖2所述全橋-Boost變換器應用本發(fā)明的調(diào)制方法的具體實施例，其中 UC3895是全橋單元控制芯片，用來實現(xiàn)全橋單元的移相控制，UC3525是Boost單元控制芯 片，用來實現(xiàn)Boost單元的的PWM控制。對于UC3895，其14腳和13腳是超前橋臂驅(qū)動控 制信號，分別送至Q1和Q3 ；18腳和17腳是滯后橋臂驅(qū)動控制信號，分別送至Q2和Q4。其中 超前橋臂控制信號，即14腳和13腳的信號，經(jīng)過或非門之后可以得到一個脈沖信號，其脈 沖寬度即為超前橋臂的死區(qū)時間。該脈沖即可作為Boost單元的同步信號，送至UC3525的 SYNC引腳，即3腳，從而保證Boost單元開關管Qb在全橋單元超前橋臂開關管Q1和Q3的關 斷時刻開通，實現(xiàn)全橋單元的前沿調(diào)制和Boost單元的后沿調(diào)制，電感電流脈動最小，而其 實現(xiàn)方式非常簡單。需要說明的是，為保證全橋Boost變換器電感兩端電壓頻率相等，便于電感的優(yōu)化設計，所以Boost單元開關管的驅(qū)動控制信號是由UC3525的11腳和14腳經(jīng)過 或門之后的信號。下面給出應用本發(fā)明調(diào)制方法的全橋-Boost變換器的主要工作波形示意圖。根據(jù)輸入電壓Vin、隔離變壓器副邊對原變的匝比k和輸出電壓V。之間的關系，全 橋-Boost變換器包括kVin ^ V。和kVin < V。兩種工作情況，應用本發(fā)明調(diào)制方法兩種工作 情況下的主要工作波形示意圖分別如圖4和5所示。圖4或圖5，從上至下，波形分別為全 橋單元超前橋臂開關管Qi和Q3的驅(qū)動控制信號、全橋單元滯后橋臂開關管Q2和Q4的驅(qū)動 控制信號、超前橋臂開關管Qi和Q3的驅(qū)動控制信號“或非”之后的信號Clock、Boost單元 載波信號AV-、全橋單元副邊整流后的電壓Vl、BooSt單元開關管Qb的驅(qū)動控制信號和電感 電流、。從圖4和圖5同樣可以看出，超前橋臂開關管Qi和Q3驅(qū)動控制信號“或非”之后 的信號Clock作為Boost單元的載波VKAMP的同步信號，即保證Boost單元開關管Qb在全橋 單元超前橋臂開關管Qi或Q3關斷的時刻開通，此時全橋單元和Boost單元自身都采用后沿 調(diào)制，但是從全橋單元副邊整流電壓Vl和Boost單元開關管Qb驅(qū)動控制信號可以看出，本 發(fā)明調(diào)制策略實現(xiàn)了全橋單元的前沿調(diào)制和Boost單元的后沿調(diào)制，電感電流脈動最小。下面對圖4和圖5所示kVin彡V。和kVin < V。兩種情況下，全橋-Boost直流變換 器的電感電流脈動的大小分別進行分析。根據(jù)全橋-Boost變換器的輸入輸出關系表達式K = d\Dd0SS 可知，當kVin彡V。
時，di-D^dc^ < 1，即全橋單元的開關管Qi和Q4 (或Q2和Q3)和Boost單元開關管Qb —定 存在同時關斷的時間T。lp。ff= (l-drc^+UV^，其中Ts為全橋單元開關周期，由于Boost 單元開關管的開關周期應和全橋單元整流后輸出電壓的開關周期相等，所以Boost單元開 關周期為Ts/2。從每個Boost單元開關周期來看，電感電流只在T。lp。ff下降，如圖4所示，
此時感電流具體表達式為
其中fs為全橋單元開關頻
率，Lf為全橋-Boost變換器的儲能電感。同樣根據(jù)全橋-Boost變換器的輸入輸出關系表達式，當kVin < V。時，
全橋單元開關管Qi和Q4(或Q2和Q3)和Boost單元開關管Qb —定存在同時導通的時 間T。lp。n = (di+Uc^-l) Ts/2，從每個Boost單元開關周期來看，電感電流只在T。lp。n上升，
如圖5所示，此時感電流具體表達式為
權(quán)利要求
一種使全橋-Boost直流變換器電感電流脈動最小的調(diào)制方法，其中該全橋-Boost直流變換器是由全橋隔離開關單元(2)取代雙管Buck-Boost直流變換器中的Buck單元(2A)而形成，該全橋-Boost變換器包括輸入源(1)、全橋隔離開關單元(2)、儲能電感Lf(3)、Boost單元(4)和濾波電容Cf(5)和負載(6)；其中，所述全橋隔離開關單元(2)是指全橋變換器除去輸入源、濾波電路和負載之后的結(jié)構(gòu)單元，其具體包括四個開關管Q1～Q4組成的全橋單元、諧振電感Lr、隔離變壓器Tr和四個二極管D1～D4組成的整流橋單元四部分。所述全橋單元采用移相控制，其包括超前橋臂和滯后橋臂，其特征在于，在關斷所述超前橋臂開關管的同時開通Boost單元(4)的開關管，即可實現(xiàn)全橋-Boost直流變換器電感電流脈動最小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制方法，其特征在于，獲取所述超前橋臂開關管的驅(qū)動控 制信號，并進行或非運算，得到的脈沖信號作為所述Boost單元(4)開關管的同步脈沖信 號，即可實現(xiàn)所述在關斷超前橋臂開關管的同時開通Boost單元(4)的開關管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的調(diào)制方法，其特征在于，所述脈沖信號的脈沖寬度與所述 超前橋臂開關管的死區(qū)時間相等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適合于全橋-Boost變換器的電感電流脈動最小調(diào)制策略，以提高全橋-Boost變換器的功率密度和效率。全橋-Boost變換器包括全橋和Boost兩個可以分別獨立控制的單元。為實現(xiàn)高效，全橋單元一般采用移相控制以實現(xiàn)其開關管的軟開關。對于采用移相控制的全橋單元，其有超前橋臂和滯后橋臂之分，超前橋臂開關管的驅(qū)動控制信號經(jīng)過或非門后可以得到的由其死區(qū)時間構(gòu)成的脈沖信號，該脈沖信號的脈沖寬度和幅值都滿足同步信號的要求，即可以利用該脈沖信號作為Boost單元開關管的同步信號，從而保證在全橋單元超前橋臂開關管關斷的時刻開通Boost單元開關管，此時電感電流脈動最小。
文檔編號H02M3/335GK101873071SQ20101021529
公開日2010年10月27日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者姚川, 王學華, 阮新波 申請人:華中科技大學