一种四管Buck-Boost变换器电流预测控制方法

本发明属于电能变换领域，具体涉及一种四管buck-boost变换器电流预测控制方法。

背景技术：

1、随着我国科技的不断发展，适用于不同电场合下的高效率、高功率密度的功率变换器逐渐成为目前的主流选择。四管buck-boost变换器是通过对buck变换器和boost变换器进行同步整流控制以及组合优化，从而实现升压或降压的功能，与传统的非隔离型升降压变换器相比，四管buck-boost变换器可以应用于输入电压有较大变化范围且输出电压在输入电压变化范围内的场合。

2、四管buck-boost变换器的本质上就是将buck变换器和boost变换器级联的一种升降压变换器，拥有非常广泛的控制自由度。传统的四管buck-boost变换器的控制方法有单模式控制、两模式控制和三模式控制等几大类。其中，单模式控制方法可以不用切换工作模式，仅通过工作在buck-boost模式下实现升压降压功能，但无法做到较低的导通损耗和开关损耗，这在一定程度上降低了四管buck-boost变换器的工作效率。两模式控制方法可以提高效率降低损耗并且能够减小电感电流有效值，其工作原理是根据输入和输出电压的关系，控制其中一个桥臂上两个功率开关管的常开和常关，进而实现buck或boost的功能，但是，输入电压在输出电压上下反复波动时，两种功能的切换频率也会加快，这不利于整个功率变换器的稳定性。三模式控制方法将输入电压能够变化的范围划分为三个区间并由小到大分别采用boost模式、buck-boost模式、buck模式的控制策略，但是四管buck-boost变换器工作在buck-boost模式时电感电流的脉动很大，使得变换器的效率较低，另外在粗调节时buck-boost模式对应的区间长度选取太大会导致输出电压与理想输出偏差较大，而选取太小会造成模式频繁切换。为此需要采取一些策略能够在兼顾稳定性和精度的同时提升效率。

3、已经有部分学者对四管buck-boost变换器的软开关技术进行了研究探索，并成功地将四边形电感电流控制策略应用到四管buck-boost变换器中，四边形电感电流控制策略的主要思想是第一开关管q1和第二开关管q2互补导通，第三开关管q3和第四开关管q4互补导通，四管buck-boost变换器要工作在伪临界导通模式(pseudo critical conductionmode,pcrm)或伪断续导通模式(pseudo discontinuous conduction mode,pdcm)，利用电感电流让其中一个开关管并联的电容进行放电，直至该开关管反向并联的续流二极管导通，此时可以实现零电压/零电流开通。在实现软开关的前提下，随着移相占空比dt增大，四管buck-boost变换器的输出功率先增大后减小。当四管buck-boost变换器工作在dt超过输出功率最大值对应的点时，效率可以通过限制dt进一步提高。但是，当四管buck-boost变换器的输入电压或负载变化时，可能会出现移相占空比太大或太小的情况，电感电流不满足零电压开通的条件，这就会导致变换器效率有所降低。另外，移相占空比大于最大功率点时，不能保证电感电流的有效值和脉动值最小。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种四管buck-boost变换器电流预测控制方法，以保证变换器在负载变化时输出功率最大、电感电流有效值和脉动值最小，为四管buck-boost变换器的低损耗和高效率控制提供技术支持。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种四管buck-boost变换器电流预测控制方法，其特征在于，根据输入电压、输出电压和电感电流进行反馈闭环控制，通过控制开关管的占空比使得每一个开关频率内输出电压等于给定电压的参考值，同时实现零电压开关，具体步骤如下：

4、步骤1：根据应用场合，设置好主功率电路的开关时间周期ts、电压采样频率kv、电流采样频率ki、参考电压基准值vref；

5、步骤2：实时采样输入和输出的电压信号以及电感的电流信号，分别进行ad转换得到输入电压、输出电压、电感电流的数字信号，由输入电压vin和输出电压vo计算变压比k的值；

6、步骤3：先由结电容coss、电感l、开关管的死区时间td计算中间变量λ、β、α以及临界变压比kb的值，然后将变压比k与临界变压比kb进行比较，判断最大功率点对应的电路模态；

7、步骤4：由变压比k以及α计算最小占空比dmin、pdcm与pcrm两种模态的临界占空比db、最大功率点的占空比dpmax；

8、步骤5：将输出电压vo与参考电压基准值vref的差值输入pi补偿器，输出得到补偿占空比dpi，根据最大功率点对应的电路模态，对补偿占空比dpi进行约束得到占空比dt；

9、步骤6：根据约束后的移相占空比dt，判断变换器工作模态；

10、步骤7：当输入电压vin大于输出电压vo时，根据变换器的不同工作模态计算第一开关管q1先于第三开关管q3开通的移相占空比dt1、第一开关管q1的占空比dx以及第三开关管q3的占空比dy；

11、当输入电压vin小于输出电压vo时，根据变换器的不同工作模态计算第一开关管q1的占空比dx、第三开关管q3的占空比dy；

12、然后通过驱动电路将生成的pwm信号送给第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4，使得输出电压在每个开关周期内的平均值等于参考电压基准值vref，同时实现零电压开关；

13、步骤8：重复步骤2～7，进行下一个周期。

14、进一步地，步骤2中的变压比计算公式为：

15、当输入电压vin大于输出电压vo时，电路工作模式为降压模式，此时k＝vin/vo；

16、当输入电压vin小于输出电压vo时，电路工作模式为升压模式，此时k＝vo/vin。

17、进一步地，步骤3中的中间变量λ、β、α以及临界变压比kb的计算公式为：

18、

19、然后将变压比k与临界变压比kb进行比较，判断最大功率点对应的电路模态，当变压比k小于临界变压比kb时输出功率最大点处于pcrm模式，否则输出功率最大点处于pdcm模式。

20、进一步地，dmin、db以及dpmax的计算公式为：

21、

22、进一步地，步骤5中电路的补偿占空比dpi的具体约束准则为:

23、输出功率最大点处于pcrm模式:当dpi<dmin时，dt等于dmin；当dpi>dpmax时，dt3等于dpmax，其他情况下dt等于dpi；

24、输出功率最大点处于pdcm模式:当dpi<dmin时，dt等于dmin；当dpi>db时，dt等于db，其他情况下dt等于dpi。

25、进一步地，步骤6中电路的最大功率点工作模态的具体判断准则为:若移相占空比dt大于临界占空比db，判定变换器工作模态为pcrm，否则判定变换器工作模态为pdcm。

26、进一步地，步骤7中电路为降压工作模式时第一开关管q1先于第三开关管q3开通的移相占空比dt1、第一开关管q1的占空比dx以及第三开关管q3的占空比dy的具体计算公式为:

27、pdcm工作模态：

28、

29、pcrm工作模态：

30、

31、所述步骤7中电路为升压工作模式时第一开关管q1的占空比dx、第三开关管q3的占空比dy的具体计算公式为:

32、pdcm工作模态：

33、

34、pcrm工作模态：

35、

36、进一步地，四管buck-boost变换器启动时，用非zvs控制算法建立电压，该过程可给定固定占空比，电压建立后切换zvs动态控制算法。

37、进一步地，步骤7中第一开关管q1和第二开关管q2互补导通，第三开关管q3和第四开关管q4互补导通，且在切换时留有一定的死区时间td。

38、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

39、(1)本发明设计了多模式的工作方式以及不同模式的判断方法，提出了一种移相占空比补偿策略，能够避免当四管buck-boost变换器的输入电压或负载变化时可能会出现移相占空比太大或太小的情况，能够在负载变化时通过对移相占空比的限制进而提高四管buck-boost变换器的效率。

40、(2)本发明给出各个开关管占空比的表达式，可以采用数字控制方法生成pwm波控制开关管，具有控制精度较高、控制参数可调、控制算法灵活的优点。