级联的buck-boost PFC变换器双模式控制——论文

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1、摘要本设计为基于buck-boost级联变换器的PFC电路提出了一种简单有效的控制方法。提出了“双模式”的控制方法有效地利用CBB变换器提供的附加控制自由度，使输入正弦电流时，实现输出电压的快速调节。此外，控制方法还使输入参考电流发生器与输出电压控制回路分离，得到了较好的输出电压动态响应。设计包含了理论分析、电路元件的选择、此方案适用的运行条件变化范围。通过仿真和实验结果展示了变换器良好的稳态和动态响应特性。最后将其性能与传统的PFC变换器进行了定性比较。1引言使用buck-boost级联变换器控制的单相PFC电路输出电压大范围变化，与传统的Bo

2、ost控制PFC变换器不同，如有需要，CBB控制PFC变换器可以输出比交流输入峰值电压更低的电压。此外，由于存在两个开关管，CBB变换器拥有了一个附加的控制自由度，可以用来有效地化解单相PFC多变量之间的矛盾，即给出一个正弦输入电流，便得到一个紧紧跟随给定值的输出电压，并实现快速的动态响应。在参考文献[1]和[4]中，根据瞬时输入和输出电压的相对大小得出CBB变换器分别工作在Buck或Boost模式的控制原理。这些方案主要集中在塑造输入电流而没有充分利用变换器提供的控制自由度（由于存在两个开关管），以至于输出电压包含二次谐波纹波，且动态响应很慢。

3、参考文献[2]采用一种基于滑模控制方案，它利用了由于存在两个开关管带来的自由度。然而，问题涉及到控制方案中电感电流参考值的选取和各种负载和线路条件下电感电流大小，该设计中没有解决电感尺寸和变换器效率之间的权衡问题。参考文献[3]提出了一种转化的双管buck-boost控制PFC变换器和在理想条件下达到PFC变换器稳态目标值的控制方案。但是，设计中没有给出变换器/控制方案的动态行为。由于是通过控制电感电流来输出电压而不是直接控制，且在控制电感电流时没有考虑电路的寄生现象，这有可能带来很大的输出电压纹波。图1级联的buck-boost-PFC（CBB

4、-PFC）变换器本设计中对应用于PFC中的CBB变换器提出了一种新颖的控制方法。双模态控制（DMC）方法是参考文献[6]中讨论的针对三态Boost直流变换器DC/DC非直接双环控制方法的改良型。控制方法简单易行，满足PFC的目标。输入功率的二次谐波分量被变换器自己吸收，阻止其到达输出端，使得电压纹波小。与[3]中的方案不同的是，此方案单独控制输出电压与输入电流。从输入电流控制中分离出来，输出电压控制由于限制了负载的突变范围使变换器快速动态响应成为了可能。但是，对于负载的大范围变化，变换器动态响应将变得缓慢，本设计中将会展示这方面。本文的重要讨论包

5、括CBB变换器在三态模式下运行的简要回顾、所提控制方案的描述及其限制、电感尺寸和效率之间的权衡、电感和输出电容的选择。本文同时也通过仿真实验结果验证了期望的稳态和动态性能，还将其与普通的单相PFC变换器的性能进行了质量比较。第二部分讲述了CBB变换器应用于PFC时的稳定性。第三部分讲述了为CBB-PFC提出的双模控制方案。第四部分讲述了功率级设计和控制元件。第五部分呈现了表示变换器稳态和动态响应特性的仿真和实验结果。第六部分给出了基于CBB-PFC的DMC与传统的单相PFC矫正器的定性比较。第七部分为设计总结。2CBB-控制自由度这部分描述了CB

6、B变换器及其附加的控制自由度，它将有助于满足PFC整流器的目标值。在此之前，描述了有二次谐波能量储存的PFC整流器满足其稳态值目标的条件。BPFC整流器实现稳态目标考虑图2所示的PFC整流器，输入正弦电流，忽略开关纹波，假设由输入带来的所有二次谐波能量被电感和开关网络本身所吸收，因此输出电压可免于受两倍行扫描频率纹波的影响。在这种条件下，利用功率平衡方程，可得到PFC整流器中电感伏安特性的瞬时值为：（1）式中，和分别为交流峰值线电流和线电压。因为电感电流含有直流分量和交流分量，所以电感的伏安特性可表示为：（2）解得到总的电感电流值为（3）式（3）

7、中的电流分量为积分常数，可视为电感电流的有效值。图3画出了各个变量的波形。理想情况下，根据式（3）得到的电感电流，PFC整流器可以在输入正弦电流时提供良好的稳定输出电压。需要注意的是，虽然可由设计者任意给定，但是它不得低于一个确定的最小值来满足PFC目标，这将在第三部分详细介绍。CCBB变换器用于PFC的稳定性S1和S2共有四种组合方式，相应地，CBB变换器（如图1所示）可有四种运行状态。在提出的PFC方案中，CBB变换器作为三态变换器运行时，与Boost变换器三态运行相似。当作为DCDC变换器运行时，周期稳定的电感电流在一个周期里有三次间隔，称

8、作Boost间隔（DbT）（S1、S2均开通）、自由间隔（S2开通、S1关断）、电容充电间隔（S1、S2均关断）。第四种状态（S1开通、