两控制变量PT控制PCCM Buck-Boost变换器*

秦 明，李芳芳

（郑州大学 电气工程学院，河南 郑州 450001）

两控制变量PT控制PCCM Buck-Boost变换器*

秦 明，李芳芳

（郑州大学 电气工程学院，河南 郑州 450001）

为减小电感惯性模态期间电感电流下降对下一周期脉冲的影响，根据伪连续导电模式 （Pseudo Continuous Conduction Mode，PCCM）Buck-Boost变换器的工作特点，提出一种新的脉冲序列（Pulse Train，PT）控制策略。控制策略中包含两个控制变量，使控制器根据不同能量的电压控制脉冲产生不同的电流控制脉冲。详细分析了新型PT控制策略下PCCM Buck-Boost变换器的工作过程，给出了高低能量电压控制脉冲比。仿真与实验结果验证了新型控制策略的可行性及理论分析的正确性。

脉冲序列控制；伪连续导电模式；Buck-Boost变换器；控制策略

0 引言

开关电源的控制技术是影响开关电源性能的主要因素，随着开关电源的广泛应用，对其性能的要求在不断提高[1]。以线性控制理论为基础的脉冲宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术存在瞬态特性差、鲁棒性差和补偿网络设计困难等问题，人们一直试图采用更好的控制技术来改进开关电源的性能，以满足电子设备对开关电源的要求[2-4]。

脉冲序列（Pulse Train，PT）控制技术是近年来提出的一种新型开关电源非线性控制技术，因具有控制电路简单，瞬态特性、鲁棒性好等优点，获得广泛研究[5-6]。PT控制技术预设两个频率相同而占空比不同的高、低功率电压控制脉冲，通过检测和判断开关周期起始时刻输出电压与参考电压的关系来选择合适的脉冲作为有效控制脉冲。若干个高、低功率电压控制脉冲组成的脉冲序列形成一个脉冲序列循环周期，控制器通过调整脉冲序列循环周期中脉冲序列的组合方式实现对变换器输出电压的调节。

开关变换器可工作于电感电流断续导电模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)和电感电流连续导电模式(Continuous Conduction Mode，CCM)。由于PT控制CCM变换器的稳定性问题，目前对PT控制技术的研究大都是工作于DCM的变换器，其带载能力较差。电感电流伪连续导电模式(Pseudo Continuous Conduction Mode，PCCM)是一种有别于DCM和CCM的特殊工作模式，在每个开关周期结束前，电感电流存在一段幅值不为零且保持不变的时间，而不是 DCM模式时的零电感电流[7]。

本文考虑电感和续流开关管的寄生参数对变换器电路的影响，提出了一种新的脉冲序列控制策略，使Buck-Boost变换器工作于 PCCM模式，分析了控制的过程及高低功率电压控制脉冲，最后通过仿真及实验验证了该方法的可行性及理论分析的正确性。

1 PT控制CCM Buck-Boost变换器

图1为PT控制PCCM Buck-Boost变换器的电路结构图，并联在电感两端的二极管 D2和开关管S2，能为电感电流提供一个续流通路，通过控制两个开关管的通断，变换器可工作于PCCM模式。一个开关周期内 PCCM Buck-Boost变换器存在三种工作模态：开关管S1导通、S2关断时变换器处于电感充电状态，电感电流 iL线性增加，二极管D1承受反向电压关断，电容C向负载R放电；S1、S2均关断时变换器处于电感放电状态，iL不断减小，D1承受正向电压导通，电感L向C及R放电；S1关断、S2导通时变换器处于电感惯性模态，iL经 D2和 S2续流，D1再次承受反向电压关断，C向R放电，若忽略L、D2和S2的寄生电阻，iL保持不变，而不是DCM下的零电感电流值。

图1 PT控制PCCM Buck-Boost变换器电路结构图

实际工作时，由于电感、开关管有损耗，电感惯性模态期间电感电流会线性减小。考虑电路中的损耗，提出了一种新的PT控制 PCCM Buck-Boost变换器控制策略，具有两个控制变量。控制器由脉冲序列控制器和伪连续控制器组成，工作过程为：在每个开关周期的起始时刻，采样电路采样输出电压Vo，当Vo低于基准电压 Vref时，脉冲序列控制器产生高能量电压控制脉冲 PH1，控制开关管S1导通，使电感电流 iL上升；当 PH1脉冲结束后，S1关断，iL下降；当 iL下降到设定的参考电流 Iref时，伪连续控制器产生电流控制脉冲PH2，控制开关管S2导通，iL续流，直至下一个开关周期开始。当Vo高于Vref时，脉冲序列控制器控制产生低能量电压控制脉冲PL1，控制 S1导通，iL上升；当 PL1脉冲结束后，S1关断，iL下降；iL下降至设定的参考时间 tref后，伪连续控制器产生电流控制脉冲 PL2，控制 S2导通，iL续流，直至下一个开关周期开始。图2为脉冲序列控制PCCM Buck-Boost变换器的主要工作波形。

若仅设置一个参考电流 Iref作控制变量，脉冲序列控制器在产生高低能量电压控制脉冲时，伪连续控制器均在iL下降到 Iref时产生相应的电流控制脉冲，控制 S2导通。但在实际工作时，由于低能量电压控制脉冲周期工作时，电感惯性模态维持时间较长，电感电流下降大，会严重影响下一个周期的电感电流，而高能量电压控制脉冲工作的开关周期电感电流续流时间短，电感电流下降可忽略。这两种情况的电感电流波形如图3。

图2 两控制变量PT控制PCCM Buck-Boost变换器工作波形

图3 一个控制变量时变换器电流波形

提出的新型控制策略在设置一个参考电流的基础上，增设一个对时间的控制量，在产生低能量电压控制脉冲时，使电感电流下降至设定时间，开关管S2导通，从而使伪连续控制器根据脉冲序列控制器产生的电压控制脉冲产生相应的电流控制脉冲，不会影响下一个周期；而在产生高能量电压控制脉冲时，仍使S2在电感电流下降至参考电流时导通。图4为两控制变量PT控制PCCM Buck-Boost变换器的控制流程图。

图4 两控制变量PT控制PCCM Buck-Boost变换器控制流程图

2 高、低能量电压控制脉冲比例分析

式中Iref为参考电流，DH为 PH1的占空比，T为开关周期，Vi为输入电压，L为电感。

Buck-Boost变换器的输入端电流即为流经开关管S1的电流，故在高能量电压控制脉冲PH1作用的开关周期，变换器从输入端获得的能量为：

类似地，求得在低能量电压控制脉冲PL1作用的开关周期，变换器从输入端获得的能量为：

式中DL为 PL1的为占空比。

假设Buck-Boost变换器工作于稳态时，脉冲序列由μH个高能量电压控制脉冲与μL个低能量电压控制脉冲组成，则一个脉冲序列循环周期内，变换器从输入端获得的总能量为：

设变换器的输出功率为P，能量转化效率为η，则存在以下关系：

由以上各式可得PCCM模式下脉冲序列循环周期中PH1脉冲和 PL1脉冲的数量比例关系：

对于PT控制PCCM Buck-Boost变换器，在产生高能量电压控制脉冲PH1的开关周期，开关管 S1导通时间为DHT，流经S1的电流波形如图2所示，该开关周期内流经S1的电流平均值为：

根据PCCM模式的分析方法，同样可得到DCM模式时脉冲序列循环周期中高低能量电压控制脉冲的数量比例关系：

由式(6)和式(7)可分别得出 PT控制 PCCM模式和DCM模式下的μH/μL与负载功率P的关系曲线，如图5所示。变换器电路参数为：Vi=10 V，Vo=9 V，P=1.8 W，T= 50 μs，L=100 μH，C=470 μF；脉冲序列控制参数为：DH= 0.12，DL=0.4，Iref=0.5 A。

图5 μH/μL与负载功率P的关系曲线

由图5可知，μH/μL随着负载功率的增大而增加，当输出功率增大到一定值时，μH/μL迅速增加，变换器不能正常工作，从图中可以看出PCCM模式能正常工作的输出功率范围要大于 DCM模式，即PCCM变换器带载能力较强。

3 仿真研究

为证明上述理论分析的正确性，对两控制变量PT控制PCCM Buck-Boost变换器进行仿真研究，仿真仍采用上节中的电路参数和控制参数。

图6给出了两控制变量PT控制 PCCM Buck-Boost变换器在不同负载功率下电压控制脉冲的仿真波形。输入电压为额定值，P为 1.8 W 时，脉冲序列为 PH1-PL1-PL1-PH1-PL1，μH/μL=2/3；P减小为 1.2 W 时，脉冲序列为PH1-PL1-PL1-PL1，μH/μL=1/3；P增加为 3.4 W 时，脉冲序列为 PH1-PH1-PH1-PL1，μH/μL=3。

图6 不同负载功率下电压控制脉冲的仿真波形

可见轻载时脉冲序列控制器产生相对较多的低能量电压控制脉冲，重载时脉冲序列控制器产生相对较多的高能量电压控制脉冲。另外，输出功率为3.4 W时PT控制DCM Buck-Boost变换器已不能正常工作，PCCM模式相比于DCM模式提高了带载能力。

4 实验验证

为了验证新型控制策略的可行性以及理论分析与仿真研究的正确性，本文搭建了实验平台，对两控制变量 PT控制PCCM Buck-Boost变换器进行试验验证，实验参数与仿真参数相同。实验装置中的开关管均采用IRF3205，二极管采用SR560，A/D转换器采用LM393，光耦采用6N137，控制器采用数字控制器FPGA，型号为EP4CE15F17C8，驱动芯片采用A3120。

图7 P为1.8 W时实验波形

图7为两控制变量PT控制PCCM Buck-Boost变换器在P为1.8 W时的电压控制脉冲和电感电流实验波形，控制器在一个脉冲序列循环周期发出的电压控制脉冲序列为：PH1-PL1-PL1-PH1-PL1。实验结果与理论分析及仿真结果一致，验证了新型控制策略的可行性及理论分析、仿真研究的正确性。

5 结论

本文在传统的包含一个控制变量的PT控制PCCM变换器的基础上，提出一种具有两个控制变量的PT控制策略，控制器根据脉冲序列产生高低能量电压控制脉冲而产生相应的电流控制脉冲。详细分析了这种控制策略下变换器的工作过程，改善了变换器的性能。通过仿真和实验研究，分析了脉冲序列控制PCCM Buck-Boost变换器的工作状况及脉冲组合，验证了新型控制策略的可行性和理论分析的正确性，同时也证明，与PT控制DCM Buck-Boost变换器相比，PT控制PCCM Buck-Boost变换器带载能力有了明显提高。

[1]张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计[M]．北京：电子工业出版社，2005．

[2]吴忠，李红，左鹏，等．DC/DC升压变换器串级控制[J]．中国电机工程学报，2002，22(1)：110-115．

[3]王凤岩，许建平，许峻峰．V2控制Buck变换器分析[J]．中国电机工程学报，2005，25(12)：67-72．

[4]张黎，丘水生．Buck变换器的积分重构滑模控制[J]．电机与控制学报，2006，10(1)：93-96．

[5]秦明，许建平，牟清波．脉冲序 Buck变换器的控制规律及特性[J]．西南交通大学学报，2009，44(5)：660-666．

[6]许建平，牟清波，王金平，等．脉冲序列控制 DCM Buck变换器输出电压纹波研究[J]．电机与控制学报，2010，14 (5)：1-6．

[7]张斐，许建平，扬平，等．两开关伪连续导电模式 Buck-Boost功率因数校正变换器[J]．中国电机工程学报，2012，32(9)：56-64．

PT controlled PCCM Buck-Boost converter with two control variables

Qin Ming，Li Fangfang
(School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)

In order to reduce the influence of the pulse of next cycle during the freewheel switch,this paper puts forward a novel control strategy of pulse train(PT),which is based on the working character of the pseudo continuous conduction mode(PCCM) Buck-Boost converter.The strategy contains two control variables,which makes the controller produce different current-controlled pulses depending on different-energy voltage-controller pulses.This paper depicts the working process of the PCCM Buck-Boost converter under this new control strategy in detail and presents the ratio of high-energy and low-energy voltage-controlled pulses. Simulation and experimental results verify the feasibility of the new control scheme and the correctness of the theoretical analysis.

pulse train(PT)control；pseudo continuous conduction mode(PCCM)；Buck-Boost converter；control strategy

TN86

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.036

秦明，李芳芳.两控制变量PT控制 PCCM Buck-Boost变换器[J].电子技术应用，2016，42(11)：134-136，140.

英文引用格式：Qin Ming，Li Fangfang.PT controlled PCCM Buck-Boost converter with two control variables[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：134-136，140.

2016-04-10）

秦明（1982-），男，博士，硕士生导师，主要研究方向：开关变换器的控制策略和电路拓扑。

国家自然科学基金(51207142)；中国博士后科学基金(2012M521408)

李芳芳（1990-），通信作者，女，硕士研究生，主要研究方向：电能质量与变换技术，E-mail：13603714813@163.com。