顏 紅，王艷春

(蚌埠學(xué)院 機(jī)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(jì)新思路

顏 紅，王艷春

(蚌埠學(xué)院 機(jī)械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030)

設(shè)計(jì)提出了用Buck和Boost變換器模塊級(jí)聯(lián)或并聯(lián)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的輸出電壓寬范圍可調(diào)功能，并對(duì)組合后的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和簡(jiǎn)化，提出了開(kāi)關(guān)管同開(kāi)同關(guān)、分時(shí)控制以及組合控制等三種級(jí)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(diǎn)，既實(shí)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(yàn)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(jiǎn)單、成本低、控制電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

寬范圍可調(diào)；Buck；Boost；級(jí)聯(lián)；分時(shí)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(shí)驗(yàn)室等多種行業(yè)的測(cè)試電源中，不僅要求其具有效率高、體積小、功率大等特點(diǎn)，還要求有良好的動(dòng)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(kāi)關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)勢(shì)，逐漸取代了傳統(tǒng)的線(xiàn)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(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。而用開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)輸出電壓寬范圍可調(diào)的主要問(wèn)題在于變換器的占空比變化范圍很大，可能會(huì)超出變換器所能承受的最大值和最小值，造成系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。目前已經(jīng)提出了多種方案來(lái)解決此問(wèn)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(lèi)：變頻率型及變結(jié)構(gòu)型[1]。在低壓時(shí)降低開(kāi)關(guān)頻率，可以增大調(diào)節(jié)范圍，如文獻(xiàn)[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(jì)難以?xún)?yōu)化。變結(jié)構(gòu)型主要有兩級(jí)式調(diào)節(jié)和串并聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換等方式，如文獻(xiàn)[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(jí)式調(diào)節(jié)的方式，通過(guò)兩次調(diào)節(jié)，占空比的調(diào)節(jié)范圍可以大大縮??；文獻(xiàn)[6-7]提出的變結(jié)構(gòu)DC-DC變換器，則采用多個(gè)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(jì)思路是將簡(jiǎn)單的變換器進(jìn)行級(jí)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(duì)簡(jiǎn)單。

當(dāng)輸入電壓可調(diào)范圍有限，而輸出要求寬范圍可調(diào)時(shí)，就會(huì)遇到有時(shí)要升壓，而有時(shí)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(jiǎn)單的，那么可以考慮將這兩個(gè)變換器模塊化后進(jìn)行級(jí)聯(lián)或者并聯(lián)組合，以實(shí)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(shí)工作，需要對(duì)其控制方式進(jìn)行改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)升壓和降壓。由于將整個(gè)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(kuò)大了一倍。這種組合方式靈活多變，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方式易于實(shí)現(xiàn)，能有效的實(shí)現(xiàn)輸出電壓的寬范圍可調(diào)。本文將針對(duì)兩種組合方式下的電路結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行討論和改進(jìn)，并提出相應(yīng)的控制策略，最后進(jìn)行仿真驗(yàn)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(kāi)關(guān)管Q3_p，其目的是為了防止當(dāng)輸出電壓低于輸入電壓時(shí)，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(wú)法調(diào)節(jié)。此開(kāi)關(guān)也可以放置在電容C1的前端。而當(dāng)輸出電壓高于輸入電壓時(shí)，Buck模塊不工作，但此時(shí)為了防止輸出電流沿Buck模塊的電感和開(kāi)關(guān)管的寄生二極管反向流動(dòng)，需加入單向?qū)ǖ亩O管，將高低壓隔離開(kāi)來(lái)。

由于Buck模塊的功能為降壓，而B(niǎo)oost模塊的功能為升壓，因此兩個(gè)模塊不能同時(shí)工作，需采用分時(shí)控制。分時(shí)控制的工作原理是：當(dāng)輸出電壓要求高于輸入電壓時(shí)Boost模塊工作，實(shí)現(xiàn)升壓，反之，當(dāng)輸出電壓要求低于輸入電壓時(shí)Buck模塊工作，實(shí)現(xiàn)降壓，并且當(dāng)Boost模塊工作時(shí)開(kāi)關(guān)管Q3_p一直導(dǎo)通，而B(niǎo)uck模塊工作時(shí)開(kāi)關(guān)管Q3_p一直關(guān)斷。顯然，當(dāng)Boost模塊單獨(dú)工作時(shí)，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿(mǎn)足Uo=Ui(1-D1)，其中D1為開(kāi)關(guān)管Q3_p的占空比；當(dāng)Buck模塊單獨(dú)工作時(shí)，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系滿(mǎn)足Uo=UiD2，其中D2為開(kāi)關(guān)管Q2_p的占空比。那么，在整個(gè)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(kuò)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(jí)聯(lián)組合

1.2.1 電路結(jié)構(gòu)

Buck與Boost模塊的級(jí)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(jìn)一步化簡(jiǎn)，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，因此我們以這種結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析。

圖2 Boost在前Buck在后的模塊串聯(lián)電路

級(jí)聯(lián)時(shí)，將Buck模塊的負(fù)載去掉， Boost模塊的電源部分去掉，再將兩者級(jí)聯(lián)起來(lái)，可以得到Buck在前Boost在后的級(jí)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(jiǎn)化?？紤]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(gè)電感[8]。另外，推導(dǎo)出來(lái)的電路需要應(yīng)用到電壓比較高的場(chǎng)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(shí)工作在高頻和高壓下?？紤]到高壓的肖特基二極管價(jià)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(shí)現(xiàn)續(xù)流功能。簡(jiǎn)化后的電路拓?fù)淙鐖D4所示[9]。

圖3 Buck在前Boost在后的級(jí)聯(lián)電路

圖4 Buck在前Boost在后的級(jí)聯(lián)簡(jiǎn)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(jiǎn)單，由于開(kāi)關(guān)管Q1和Q3互補(bǔ)導(dǎo)通，Q2和Q4互補(bǔ)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(duì)開(kāi)關(guān)管Q1和Q2分別進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，即分時(shí)控制：當(dāng)輸出電壓要求低于輸入電壓時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)管Q1進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)控制，而開(kāi)關(guān)管Q2一直關(guān)斷，那么此時(shí)的等效電路就是一個(gè)Buck變換器，實(shí)現(xiàn)降壓功能。此時(shí)輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系符合Ui=D1Uo，D1為開(kāi)關(guān)管Q1的占空比，通過(guò)調(diào)節(jié)D1即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。當(dāng)輸出電壓要求高于輸入電壓時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)管Q2進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)控制，而開(kāi)關(guān)管Q1一直開(kāi)通，開(kāi)關(guān)管Q3一直截止，那么此時(shí)的等效電路就是一個(gè)Boost變換器，實(shí)現(xiàn)升壓功能。此時(shí)輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式為Ui=Uo/(1-D2)，D2為開(kāi)關(guān)管Q2的占空比，通過(guò)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(diǎn)：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(dāng)于將調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)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(shí)，輸出電壓會(huì)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管占空比的劇烈變化造成波動(dòng)。

第二種控制方式為Q1、Q2同開(kāi)同關(guān)脈寬調(diào)制方式：Q1、Q2控制同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，即同開(kāi)同關(guān)方式。當(dāng)Q1、Q2開(kāi)通時(shí)，Q3關(guān)斷，電感L充電，承受的電壓為Ui，電感電流上升；當(dāng)Q1、Q2關(guān)斷時(shí)，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(gè)開(kāi)關(guān)管的共同的占空比。顯然，當(dāng)D>0.5時(shí)，實(shí)現(xiàn)升壓；D<0.5時(shí)，實(shí)現(xiàn)降壓。這種控制方式不具備分時(shí)控制占空比調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，但是其升降壓之間的切換非常平滑。

通過(guò)對(duì)比兩種控制方式，可發(fā)現(xiàn)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)正好互補(bǔ)，因此可以考慮將兩種控制方式結(jié)合起來(lái)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(shí)控制在輸出低壓或高壓時(shí)寬占空比調(diào)節(jié)范圍的優(yōu)點(diǎn)，以及同開(kāi)同關(guān)方式在高低壓轉(zhuǎn)換時(shí)的平滑特性。為此，需要先將輸出電壓劃分范圍，如當(dāng)輸出電壓低于輸入電壓的90%時(shí)，使電路工作在Buck模式，當(dāng)輸出電壓高于輸入電壓的110%時(shí)，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(kāi)同關(guān)模式。組合控制方式的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，當(dāng)輸出電壓高于輸入電壓的110%時(shí)，Boost信號(hào)為高電平，Q1的占空比置1，Q3的占空比置0，Buck信號(hào)也為高電平，Q2的占空比由電壓環(huán)信號(hào)決定。如果沒(méi)有緩沖環(huán)節(jié)，則占空比的變化同樣會(huì)引起輸出電壓的波動(dòng)，只不過(guò)波動(dòng)的幅度會(huì)小于分時(shí)控制所造成的影響。那么為了實(shí)現(xiàn)平滑切換，采用RC來(lái)進(jìn)行緩沖，切換時(shí)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(shí)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(dāng)輸出電壓低于輸入電壓的90%時(shí)，Buck信號(hào)為低電平，Q2的占空比置0，Boost信號(hào)為高電平，Q1的占空比由電壓環(huán)信號(hào)決定。由于電壓環(huán)信號(hào)與Buck信號(hào)存在電壓差，因此不能用RC來(lái)進(jìn)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(shí)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(shí)在電壓環(huán)調(diào)節(jié)信號(hào)上需加入隔離以防止Buck信號(hào)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(yàn)證

采用仿真軟件Saber對(duì)Buck在前Boost在后的級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行仿真驗(yàn)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(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)管同開(kāi)同關(guān)時(shí)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(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的占空比一致，且等于0.167；b圖給出了升壓時(shí)的波形，輸出電壓穩(wěn)定在DC 200 V，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的占空比等于0.667。

圖6 級(jí)聯(lián)同開(kāi)同關(guān)方式工作波形

圖7給出了采用分時(shí)控制時(shí)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(dòng)波形看，開(kāi)關(guān)管Q1在進(jìn)行脈寬調(diào)制，而開(kāi)關(guān)管Q2一直關(guān)斷，變換器處于Buck模式，實(shí)現(xiàn)降壓功能； b圖是這種控制方式下的升壓波形，此時(shí)輸出電壓穩(wěn)定在DC 200 V，開(kāi)關(guān)管Q1一直開(kāi)通，開(kāi)關(guān)管Q2在進(jìn)行脈寬調(diào)制，變換器處于Boost模式，實(shí)現(xiàn)升壓功能。與同開(kāi)同關(guān)方式相比，相同的輸出電壓下，分時(shí)控制的占空比調(diào)節(jié)余量顯然高于同開(kāi)同關(guān)方式。

圖7 級(jí)聯(lián)分時(shí)控制方式工作波形

圖8給出了級(jí)聯(lián)的兩種控制方式以及模塊并聯(lián)時(shí)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(gè)波形為級(jí)聯(lián)同開(kāi)同關(guān)方式，第二個(gè)波形為級(jí)聯(lián)分時(shí)控制模式，第三個(gè)波形為模塊并聯(lián)模式。顯然同開(kāi)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(kāi)關(guān)管的切換，導(dǎo)致輸出電壓在升降壓切換時(shí)發(fā)生波動(dòng)。

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(kāi)通，Q1和Q2同開(kāi)同關(guān)；當(dāng)輸出電壓到達(dá)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(guò)程，很好的實(shí)現(xiàn)了平滑切換。而由Buck工作狀態(tài)切換到同開(kāi)同關(guān)方式時(shí)，仍有一定的波動(dòng)，但是相比并聯(lián)方式和分時(shí)控制，波動(dòng)幅度大為減小。

圖8 降壓到升壓過(guò)程波形比較圖9 組合控制方式工作波形

仿真結(jié)果說(shuō)明所提出的電路結(jié)構(gòu)和控制方式都能很好的實(shí)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(kāi)同關(guān)和分時(shí)控制方式的優(yōu)點(diǎn)，其占空比寬范圍可調(diào)，并且升降壓切換平滑。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了通過(guò)Buck變換器和Boost變換器進(jìn)行級(jí)聯(lián)或并聯(lián)組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓寬范圍可調(diào)。文章對(duì)電路結(jié)構(gòu)和控制方式進(jìn)行了推導(dǎo)和優(yōu)化，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了其正確性和可行性。其中，Buck在前Boost在后級(jí)聯(lián)方式的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，控制方式簡(jiǎn)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(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

[1] 孫鵬菊.輸出寬范圍連續(xù)可調(diào)的變結(jié)構(gòu)恒功率電源的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011.

[2] 賁洪奇,馬今朝,李明,等.輸出電壓可寬范圍調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)策略[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(12):1 480-1 482.

[3] 王金平,許建平,秦明,等.開(kāi)關(guān)DC-DC變換器雙頻率脈沖序列調(diào)制技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(33):1-8.

[4] 任小永,阮新波.適用于高壓輸入低壓輸出的兩級(jí)式變換器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(23):154-158.

[5] 馬杰,呂征宇,汪生.寬可調(diào)電壓范圍的交直流精密電源[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2004,38(1):60-64.

[6] 孫鵬菊,周雒維,杜雄.具有恒功率特性的輸出寬范圍可調(diào)的變結(jié)構(gòu)DC-DC變換器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(6):81-89.

[7] De Britt J R O,De Freita L C S,Faria V J S,et al.A non-insulated step-up/down DC-DC converter with wide range converter[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference.Washington:IEEE,2009:1 374-1 377.

[8] 張興,杜少武,黃海宏.電力電子技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[9] 任小永,唐釗,阮新波,等.一種新穎的四開(kāi)關(guān)Buck-Boost變換器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(21):15-19.

[責(zé)任編輯：寸曉非]

2014-09-25

蚌埠學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目(2011ZR14)；安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2013Z193)；安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2013Z201)

顏紅(1979-)，女，湖南株洲人，蚌埠學(xué)院機(jī)械與電子工程系講師，碩士。

TM46

A

1008-4657(2014)06-0077-05