一種新穎的四開關(guān)Buck_Boost變換器

1、第28卷第21期中國電機工程學(xué)報V ol.28 No.21 Jul. 25, 20082008年7月25日 Proceedings of the CSEE 2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 15 文章編號:0258-8013 (2008 21-0015-05 中圖分類號:TM 46 文獻標(biāo)識碼:A 學(xué)科分類號:47040一種新穎的四開關(guān)Buck-Boost變換器任小永1,唐釗2,阮新波1,危建2,華桂潮2(1.航空電源航空科技重點實驗室(南京航空航天大學(xué), 江蘇省南京市 210016;2.伊博電源杭州有限公司,浙江省杭州市 310053A Novel Four Switc

2、h Buck-Boost ConverterREN Xiao-yong1, TANG Zhao2, RUAN Xin-bo1, WEI Jian2, HUA Gui-chao2(1. Aero-Power Science-Technology Center(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, ,Jiangsu Province, China;2. Bel-Power Hangzhou Inc., Hangzhou 310053, Zhejiang Province, ChinaABSTRACT:

3、 A novel Four Switch Buck-Boost converter is proposed in this paper. This converter is a simplified structure from Buck+Boost, which can convert the wide range input into a narrow one around the nominal input efficiently. Hence the following stage can be easily designed to achieve a high efficiency.

4、 And the special control scheme of the four switch Buck-Boost converter enables the highest efficiency around nominal input. The experimental results show that the two-stage converter composed of the Four Switch Buck-Boost converter and a full bridge converter can achieve high efficiency and high po

5、wer density, which applicable to future communication system.KEY WORDS: wide line range; four switch Buck-Boost; high efficiency; high power density摘要:提出一種新穎的四開關(guān)Buck-Boost變換器及其控制策略。該變換器由Buck變換器和Boost變換器級聯(lián)等效而成,其可以將寬范圍的輸入電壓高效率變換到額定電壓附近,這樣對后級變換器而言輸入就是一個窄范圍,從而保證了后級變換器的優(yōu)化設(shè)計;與此同時,四開關(guān)Buck-Boost 變換器的濾波工作模式還

6、保證了額定輸入電壓附近效率的最高。實驗結(jié)果表明:采用文中提出的四開關(guān)Buck-Boost 變換器作為前級的兩級式變換器可以滿足未來通信電源模塊高效率、高功率密度以及寬輸入范圍的要求。關(guān)鍵詞:寬范圍;四開關(guān)Buck-Boost變換器;高效率;高功率密度0 引言近年來,通信技術(shù)發(fā)展迅速,通信產(chǎn)品日趨小型化、綠色化,這對其供電模塊,即通信電源模塊,提出了越來越高的要求1-4。通信電源模塊的發(fā)展趨勢為高效率、高功率密度、高可靠性,與此同時,它還要有良好的動態(tài)性能和適應(yīng)寬輸入范圍的能力,這些對通信電源模塊的設(shè)計提出了很大的挑戰(zhàn),尤其是寬輸入范圍。由于通信電源模塊大多數(shù)時間工作在額定輸入電壓下,因此保證額

7、定輸入電壓時的高效率十分重要,它是高功率密度和高可靠性的保障。針對寬輸入電壓范圍,選擇合適的電路拓?fù)涫种匾?。Buck型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換效率最高點一般在輸入電壓較低時,而Boost型則恰恰相反,因此很難在額定輸入電壓時取得最高的效率。文獻5-6提出的復(fù)合式全橋三電平變換器可以工作在三電平和兩電平2種工作模式,適用于寬輸入電壓范圍的場合,并可通過調(diào)整工作模式的切換點來提高額定輸入電壓的效率。但是控制相對復(fù)雜,不適合在低壓場合應(yīng)用。文獻7-10提出的兩級式變換拓?fù)?縮小了第2級變換器輸入電壓范圍,有利于第2級變換效率的提高,但前級變換器由于輸入電壓范圍寬,在額定輸入電壓時效率不高。本文提出一種新穎的

8、四開關(guān)Buck-Boost變換器。以其作為兩級式變換器的前級可以使得額定輸入電壓附近效率最高,同時其輸出電壓變化范圍較窄,從而為后級的優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造條件。1 四開關(guān)Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)Buck和Boost是最簡單的兩種基本變換器,輸出電壓分別低于或高于輸入電壓。以48V(3675V輸入為例,如果它們的輸出電壓分別為25和86 V,16 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第28卷開關(guān)頻率均為300 kHz ,輸出功率均為300 W ,其變換效率曲線如圖1所示。顯然,額定輸入電壓附近的效率不是最高的,同時由于輸入范圍寬,整體效率也不夠高。 如果前級變換器能同時具備Buck 與Boost 工

9、作模式,這樣便可以讓額定輸入電壓附近的效率最高。能同時實現(xiàn)升、降的基本變換器有Buck-Boost 、Cuk 、Zeta 和Sepic 。Buck-Boost 與Cuk 的輸出是反極性的,且輔助電源和驅(qū)動實現(xiàn)困難;而Cuk 、Zeta 和Sepic 變換器無源元件較多,不利于實現(xiàn)高功率密度。因此,這四種基本拓?fù)洳贿m合在此場合使用?？紤]到這些變換器均是由Buck 和Boost 2種基本拓?fù)溲葑兌鴣?故可將兩個基本變換器級聯(lián),如圖2所示。為了提高變換效率,兩個拓?fù)渚捎猛秸鞣绞?。由于兩只電感電流平均值實際上是相等的,故中間電容C f_buck 可以去掉,于是兩個電感便合并為一個電感。這樣就得到

10、一個新的變換拓?fù)?如圖3所示。為了區(qū)別傳統(tǒng)的Buck-Boost 變換器,定義其為四開關(guān)Buck-Boost 變換器(four switch Buck-Boost, FSBB。該變換器結(jié)構(gòu)簡單,輸入輸出同極性、共地,同步整流技術(shù)的使用也使得其具有較高的變換效率。由于48 V 輸入通信電源模塊有電氣隔離的要求,FSBB 沒有隔離作用,因此其需要與一個隔離 U in /V /%圖1 Buck 與Boos t 典型效率曲線Fig. 1 Typical Efficiency of Buck and Boost 圖2 Buck 與Boost 級聯(lián)結(jié)構(gòu)Fig. 2Cascade converter com

11、posed of Buck and Boost 圖3 四開關(guān)Buck-Boost 變換器Fig. 3 Four switch Buck-Boost converter式拓?fù)浼壜?lián)構(gòu)成兩級式變換器。全橋變換器(fullbridge, FB因其輸出整流倍頻作用,輸出濾波器可以大大減小;且具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、控制方式簡單等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于通信電源模塊中。所以,本文選擇全橋變換器作為所提出的如圖4所示四開關(guān)Buck-Boost 變換器的后級變換器。圖4 提出的兩級式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 4 Topology of the proposed two-stage converter2 控制策略從輸出電壓調(diào)

12、節(jié)方式的角度來分類,兩級式變換器的控制策略可簡單分為下列兩種:一級粗調(diào)整(或不調(diào)整,另一級精確調(diào)整;兩級都精確 調(diào)整。本文所提出的FSBB 的目的是將變化范圍很寬的輸入電壓高效率地調(diào)節(jié)到一個基本穩(wěn)定的電壓或是一個很窄的范圍,從而為后級創(chuàng)造優(yōu)化設(shè)計的條件。因此,后級的全橋變換器需要采用精確調(diào)整控制,由于全橋變換器的控制方式已有大量文獻討論11-15,本文不再詳細(xì)介紹,下文主要討論FSBB 的控制 策略。對于FSBB 而言,其可以分別工作于Buck 模式、Boost 模式、Buck-Boost 模式以及不調(diào)節(jié)模式。為了提高額定輸入電壓時的效率,以額定48 V 輸入時為例,FSBB 的輸出應(yīng)為48

13、V 左右。為了保證變換器正常工作,可在(48 V 兩個點將輸入電壓劃分為3段,變換器在各段工作在不同的模式。為了簡化分析,這里可以將FSBB 看成兩個變換器:Buck 和Boost 。其中Q 1與Q 3分別是兩只主控管,Q 2與Q 4分別是兩只同步整流管。當(dāng)輸入電壓低于(48V 時,FSBB 工作于Boost 模式,此時Q 1一直導(dǎo)通,而Q 2則一直關(guān)斷,控制Q 3實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié);當(dāng)輸入電壓高于(48V 時,FSBB 工作于Buck 模式,Q 4一直導(dǎo)通,而Q 3則一直關(guān)斷,控制Q 1實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)。而當(dāng)輸入電壓介于(48 V 與(48+ V 之間時,FSBB 可以工作于Buck-Boos

14、t 模式。為了提高變換器的效率,要盡可能減少Q(mào) 2與Q 3導(dǎo)通的時間。也就是說Buck 工作于大占空比d 的狀態(tài),而Boost 工作于一個小占空比狀態(tài),具體實現(xiàn)可以讓Buck 變換器工作于0.95的固定占空比,通過調(diào)節(jié)Boost第21期 任小永等: 一種新穎的四開關(guān)Buck-Boost 變換器 17的占空比來實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。此時,FSBB對輸出電壓仍然是精確控制,稱之為調(diào)節(jié)工作模式。圖5中的實線部分給出了FSBB 的效率曲線。與單獨的Buck 變換器或Boost 變換器效率(如圖1相比,盡管Buck 段和Boost 段的效率均有所上升,但是額定輸入電壓附近效率并不理想。其原因就在于Buc

15、k-Boost 模式下,FSBB 4只開關(guān)管均處于高頻開關(guān)狀態(tài),開關(guān)損耗較大。 U in /V /%圖5 FSBB 工作于濾波器及調(diào)節(jié)器狀態(tài)的效率曲線 Fig. 5 Typical Efficiency of FSBB as a filter and regulator如何減小開關(guān)損耗呢?考慮到中間工作帶范圍并不寬,即使不調(diào)整,對后級變換器的設(shè)計影響也很小。因此可以讓Buck 變換器的占空比為1,Boost 變換器的占空比為0,即Q 2與Q 3始終截止而Q 1與Q 4則始終導(dǎo)通。此時的FSBB 就等效一個輸入濾波器,故稱之為FSBB 的濾波工作模式。圖5虛線部分是FSBB 工作于濾波工作模式的

16、效率曲線,由于開關(guān)損耗幾乎為零,此時實現(xiàn)了額定輸入電壓附近效率最高。所以本文將提出的兩級式變換器前級的3個工作模式分別為Boost 模式、濾波模式和Buck 模式。這里,的選取是比較關(guān)鍵的,選擇小了,則中間窗口太窄,由遲滯比較器實現(xiàn)的模式切換相對困難;增大,即意味著前級輸出范圍變寬,對后級的全橋變換器而言輸入電壓范圍隨之增大,這會使得變壓器的設(shè)計及功率器件的選取變得困難。綜合考慮到這些因素,本文設(shè)計的FSBB 變換器選擇=3。 由于FSBB 工作在多個模式,模式間的切換是否平滑決定了系統(tǒng)是否穩(wěn)定。表1給出的是FSBB 工作于不同模式時Buck 和Boost 變換器開關(guān)管的占空比,其中U o1和

17、U o2分別是FSBB 工作于Boost 模式和Buck 模式的輸出電壓。若U o1與U o2相等均是額定輸入電壓48 V ,則在整個輸入范圍,Buck 與Boost 的占空比如圖6所示。很顯然,在模式切換時,Buck 和Boost 占空比均有一次跳變。占空比的跳變就意味著輸出電壓在模式切換時將有比較大的脈動,從系統(tǒng)的穩(wěn)定性角度考慮這是不可取的。期望的工作狀態(tài)是,在工作模式切換時占空比沒有突變,也就是占空比在輸入電壓為切換點時是連續(xù)的。對于Boost 而言希望在45 V 時占空比就到達0,同樣的,對Buck 而言則希望輸入電壓為51V 時占空比就到達1。也就是說Boost 模式的輸出電壓不高于

18、45 V ,而Buck 模式的輸出電壓不低于51V 。因此選擇Boost 模式輸出電壓U o1為45V ,Boost 模式的輸出電壓U o2為51 V 。全范圍輸入輸出關(guān)系如圖7所示,對應(yīng)的占空比關(guān)系如圖8所示。顯然,模式切換時的占空比隨電壓改變而平滑改變,保證了模式的平滑切換。在實際系統(tǒng)中,由于Q 1與Q 4 2只開關(guān)管的驅(qū)表1 各模式工作時Buck 與Boost 的占空比Tab. 1 Duty cycle of Buck and Boost under different modesU in /V D BuckD Boost Mode3648 1 (U o1U in /U o1 Boost

19、 4848+ 1 0 濾波48+75U o2/U in 0 Buck35 45 55 65 75U in /V 0D BoostD Buckd圖6 FSBB 模式切換的占空比跳變Fig. 6 FSBB duty cycle saltation during mode switchingU in /V 444852U o /V圖7 FSBB 輸入輸出電壓關(guān)系Fig. 7 Relationship between input andoutput voltage of FSBBU in /V d圖8 FSBB 模式切換時占空比漸變Fig. 8 Expected duty cycle

20、 during mode switching18 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第28卷動是采用自舉(Boot-strap方式實現(xiàn)的,當(dāng)Q 2與Q 3開通時,Q 1與Q 4驅(qū)動的供電電容充電。為了保證Q 1與Q 4管的驅(qū)動正常工作,隔一段時間就需要開通Q 2與Q 3給自舉電容充電。因此,Q 1與Q 4驅(qū)動信號恒為高電平難以實現(xiàn),實際系統(tǒng)中采用10 kHz 、0.98占空比來驅(qū)動,每個周期有200ns 時間開通Q 2與Q 3給自舉電容充電。3 實驗結(jié)果與討論 采用本文所提出的四開關(guān)Buck-Boost 變換器與全橋變換器級聯(lián),本文設(shè)計了一個48 V(3675 V輸入,12 V/25 A 輸出的

21、模塊電源,其尺寸為標(biāo)準(zhǔn)的1/4磚,功率密度為(18039.373 W/m 3,滿足了未來通信模塊對功率密度的需求。 圖911分別給出了輸入電壓分別為42 、48和60 V ,輸出12 V/25 A 時,圖4中A 、B 點電壓波形和FSBB 輸出電壓紋波波形。這里的紋波由兩部分組成,一部分是FSBB 本身的輸出電壓紋波,另一部分是后級全橋變換器輸入對FSBB 輸出的反射紋波。從中可以看出,在濾波模式中,由于D buck =1且D boost =0,FSBB 本身紋波很小,此時紋波主要是FB 的反射紋波。故其輸出的電壓紋波比其它兩種工作模式的要小。圖12給出了不同輸入電壓、滿載輸出時的FSBB 的

22、變換效率以及其與全橋級聯(lián)后的整機變換效率。圖13給出的時48 V 輸入,不同負(fù)載的級聯(lián)后整機效率曲線。可以看出,全范圍輸入、滿載輸u A , u B (20 V /格 u r _F S B B (1 V /格u r _FSBBu Au B圖9 FSBB 變換器Boost 模式工作波形Fig. 9 Boost mode operation waveform of FSBBu r _FSBB u A u Bu A , u B (50 V /格 u r _F S B B (1 V /格圖10 FSBB 變換器Filter 模式工作波形 Fig. 10 Filter mode operation wa

23、veform of FSBBu r _FSBB u A u Bu A , u B (50 V /格 u r _F S B B (1 V /格圖11 FSBB 變換器Buck 模式工作波形Fig. 11 Buck mode operation waveform of FSBBU in /V /%圖12 不同輸入滿載輸出的效率曲線Fig. 12 Converter efficiency of full load and variable inputi L /A /%圖13 48 V 輸入不同負(fù)載的效率曲線Fig. 13 Converter efficiency of 48 V input with

24、variable load出時效率均高于95%;而48 V 輸入、滿載輸出時,模塊變換效率達96.1%,此時FSBB 的效率為98.9%。顯然,本文所提出的這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實現(xiàn)高效率的同時,實現(xiàn)了額定輸入電壓附近效率最高。4 結(jié)論針對未來通信電源模塊的高要求,本文提出了一種具有高效率、高功率密度適合寬輸入范圍工作的FSBB 變換器。文中詳細(xì)推導(dǎo)了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并提出了一種適用于該場合的控制策略。最后采用提出的變換器與全橋級聯(lián)設(shè)計了一個48 V(3675 V輸入,12 V/25 A 輸出的1/4磚模塊,并進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明,采用本文提出的FSBB 變換器和全橋變換器級聯(lián)構(gòu)成的兩級式變換器保證

25、了高效率的同時實現(xiàn)了額定輸入附近效率最高,滿足未來通信模塊電源高效率高功率密度的需求。第21期任小永等: 一種新穎的四開關(guān)Buck-Boost變換器19參考文獻1 Wetzel H,Frohleke N,Bocker J,et al.High efficient 3kW three-stagepower supplyC.APEC 2006,Dallas,Texas,2006.2 Takao K,Irokawa H,Hayashi Y,et al.Novel exact power loss designmethod for high output power density converter

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