[发明专利]一种四开关升降压变换器的双时间尺度优化控制方法

说明书

本发明公开了升降压变换器领域的一种四开关升降压变换器的双时间尺度优化控制方法，包括S1：获得当前开关周期内四开关升降压变换器运行时的输入电压采样值、输出电压采样值、电感电流值以及开关管Q₁和Q₄共同导通的持续时间T₁、开关管Q₁与Q₃共同导通的持续时间T₂；S2：电感电流优化器计算当前周期与上个周期的电感电流有效值差值，得到调节系数K_a、K_b并输出到输出电压调节器；S3：输出电压调节器结合输出电压参考值、输出电压采样值、输入电压采样值，通过PI算法，计算T₁、T₂输出到电感电流优化器，并输出用于控制开关管Q₁～Q₄在下一开关周期的通断状态的控制信号；S4：重复S1～S3。本发明既可以保证变换器的性能，又可以降低算法对控制器的要求。

技术领域

本发明涉及升降压变换器领域，具体是一种四开关升降压变换器的双时间尺度优化控制方法。

背景技术

近年来，我国航天事业加速发展，空间站、大卫星等空间装备对电力供应的需求越来越高。空间能源的主要获取途径是光伏电池板，且空间能源的主要存储介质是蓄电池。光伏电池板和蓄电池应用时最大的问题时运行时输出电压变化范围较宽，不能满足负载对供电电压的稳定性要求。因此，适用于输入电压在宽范围变化、可实现升降压功能的高效率变换器受到了广泛关注。其中，一种称为四开关升降压变换器拓扑具有开关器件电压/电流应力低、无源元件少、效率高等优点，具有广泛的应用前景。

如图1所示，开关管升降压变换器包括开关管Q1～Q2及电感L，其中开关管Q1、Q2构成前桥，开关管Q3、Q4构成后桥，在后桥的两端并联有电容Co以及负载RL。为了充分发挥四开关升降压变换器的拓扑优势，提高电源的功率密度和效率，近年来国内外的学者对该拓扑的控制策略做了深入的研究。大体可以分为硬开关多模式PWM调制策略和四边形电感电流软开关调制策略两大类。硬开关控制时序相对简单，但开关器件的损耗较高，不适合用于高频高功率密度应用。四边形软开关调制将电感电流的调制时间分成了四段，产生反向电流，实现了四个开关管的零电压开关。这类调制方式既可以实现了四个开关管的零电压开关又可以通过优化电感电流有效值进一步提高变换器的效率。

根据计算获得I_Lrms的表达式后，如图4所示，对于不同的负载电流，总存在一个T₂值，使得电感电流有效值I_Lrms最小。而电感电流有效值I_Lrms越小，则电感的损耗越小，四开关升降压变换器的转换效率最高。

因此，为了提高变换器的效率，四开关升降压变换器需要采用最小电感电流有效值控制方法。理论上，可以通过列式对T₂求微分，进而计算出T₂(T₂为开关管Q1、Q3共同导通的持续时间)和T₁(T₁为开关管Q1、Q4共同导通的持续时间)的具体值，而这个过程中需要大量的乘法、开方以及除法运算。但是在开关电源中开关频率通常都几十千赫兹到几百千赫兹，每个开关周期只有几十微秒甚至是几微秒。在这极短的时间内完成大量的乘法、开方以及除法运算，需要控制器具有极高的数字信号处理能力。因此，现在市场上的低成本控制器难以满足实时在线计算T₂和T₁的要求。

为了实现最小电感电流有效值控制，目前较为先进且实用的控制方法主要有查表法和临界电流逼近变频控制方法。

1.查表法

如图5所示，查表法预先对不同的输入电压V_i、输出电压V_o、输出电流Iout条件下根据I_Lrms的表达式关于T₂求微分，并计算出T₂和T₁的值，存入多维数据表中。