一种输出电压宽范围可调电源的设计新思路

颜 红，王艳春

(蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030)

一种输出电压宽范围可调电源的设计新思路

颜 红，王艳春

(蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030)

设计提出了用Buck和Boost变换器模块级联或并联组合来实现电源的输出电压宽范围可调功能，并对组合后的电路结构进行了分析和简化，提出了开关管同开同关、分时控制以及组合控制等三种级联控制方式，尤其是组合控制方式结合了前两者的优点，既实现了占空比宽范围可调，又保证了升降压切换平滑。仿真结果验证了电路结构及控制方式的正确性及可行性。文章所提出的电路结构及控制方式具有输出电压可调范围宽、结构简单、成本低、控制电路简单易实现等优点。

宽范围可调；Buck；Boost；级联；分时控制

电源是用电设备中重要的组成部分，尤其在医疗器械、电子设备的研发及实验室等多种行业的测试电源中，不仅要求其具有效率高、体积小、功率大等特点，还要求有良好的动态性能和提供输出电压宽范围可调的能力。在这种要求下，开关电源以其体积小、重量轻、效率高等优势，逐渐取代了传统的线性电源，目前的输出电压宽范围可调电源基本上都是采用开关电源来实现。而用开关电源实现输出电压宽范围可调的主要问题在于变换器的占空比变化范围很大，可能会超出变换器所能承受的最大值和最小值，造成系统无法实现。目前已经提出了多种方案来解决此问题，但是仍然存在着或多或少的缺陷。这些方案可以分为两大类：变频率型及变结构型[1]。在低压时降低开关频率，可以增大调节范围，如文献[2-3]等都采用了这种方式。但是电路频率的改变，必然使得磁性元件的设计难以优化。变结构型主要有两级式调节和串并联结构转换等方式，如文献[4-5]在传统的降压电路前加前置调节电路，或者采用两级式调节的方式，通过两次调节，占空比的调节范围可以大大缩小；文献[6-7]提出的变结构DC-DC变换器，则采用多个DC-DC模块输入端并联，输出端根据输出电压的需要或串或并。变结构型占空比调节的范围可以非常宽，调节精度较高，但是电路结构复杂，控制方式也比较繁琐。本文所提出的设计思路是将简单的变换器进行级联或并联构成输出电压可升可降的新电路结构，而且电路结构及控制方式都相对简单。

当输入电压可调范围有限，而输出要求宽范围可调时，就会遇到有时要升压，而有时要降压的情况。Buck和Boost变换器分别是降压和升压变换器中结构最简单的，那么可以考虑将这两个变换器模块化后进行级联或者并联组合，以实现输出电压宽范围调节的目的。由于两者功能不同，不能同时工作，需要对其控制方式进行改进才能实现升压和降压。由于将整个输出电压分成了升压和降压两部分分别控制，每一部分的占空比调节范围都是0～1，因此占空比的范围被扩大了一倍。这种组合方式灵活多变，且结构简单，控制方式易于实现，能有效的实现输出电压的宽范围可调。本文将针对两种组合方式下的电路结构分别进行讨论和改进，并提出相应的控制策略，最后进行仿真验证，以证明其电路结构以及控制策略的正确性及可行性。

1 Buck与Boost模块的组合方式

1.1 Buck和Boost模块并联组合

Buck与Boost模块并联组合电路结构如图1所示，图中在基本模块并联后加入了一些辅助模块，以保证并联后的电路能正常工作。在Boost模块中需加入开关管Q3_p，其目的是为了防止当输出电压低于输入电压时，二极管Dr1导通，电感L1饱和，使得输出与输入短接，造成输出电压无法调节。此开关也可以放置在电容C1的前端。而当输出电压高于输入电压时，Buck模块不工作，但此时为了防止输出电流沿Buck模块的电感和开关管的寄生二极管反向流动，需加入单向导通的二极管，将高低压隔离开来。

由于Buck模块的功能为降压，而Boost模块的功能为升压，因此两个模块不能同时工作，需采用分时控制。分时控制的工作原理是：当输出电压要求高于输入电压时Boost模块工作，实现升压，反之，当输出电压要求低于输入电压时Buck模块工作，实现降压，并且当Boost模块工作时开关管Q3_p一直导通，而Buck模块工作时开关管Q3_p一直关断。显然，当Boost模块单独工作时，输出电压与输入电压的关系满足Uo=Ui(1-D1)，其中D1为开关管Q3_p的占空比；当Buck模块单独工作时，输出电压与输入电压的关系满足Uo=UiD2，其中D2为开关管Q2_p的占空比。那么，在整个输出电压范围中，升压部分和降压部分的占空比调节范围都为0～1，与单模块相比其占空比调节范围扩大了一倍。

图1 Buck和Boost模块并联电路结构

1.2 Buck与Boost模块级联组合

1.2.1 电路结构

Buck与Boost模块的级联组合有两种形式，一种是Boost在前Buck在后，电路结构如图2所示，另外一种则相反，Buck在前Boost在后。两种组合形式的本质是一样的，控制方法也一样，仅在电路结构上有区别。由于Buck在前Boost在后的电路结构能够进一步化简，结构更为简单，因此我们以这种结构为例进行分析。

图2 Boost在前Buck在后的模块串联电路

级联时，将Buck模块的负载去掉， Boost模块的电源部分去掉，再将两者级联起来，可以得到Buck在前Boost在后的级联方式，如图3所示。显然电路中间的缓冲部分冗余，可以简化。考虑到电容C1上的电流平均值为零，而电感L1和L2上的电流平均值相等，因此C1可以省略，而L1和L2可以合并为一个电感[8]。另外，推导出来的电路需要应用到电压比较高的场合，并且为了减小电容和电感的体积，需要采用较高的频率，那么续流二极管要求能同时工作在高频和高压下。考虑到高压的肖特基二极管价格很高，而普通二极管频率参数又不符，因此我们用MOSFET代替二极管，实现续流功能。简化后的电路拓扑如图4所示[9]。

图3 Buck在前Boost在后的级联电路

图4 Buck在前Boost在后的级联简化电路

1.2.2 控制方式

Buck在前Boost在后组合方式的电路结构非常简单，由于开关管Q1和Q3互补导通，Q2和Q4互补导通，因此只需要考虑Q1和Q2的控制方式。Q1和Q2有两种控制方式，一种是对开关管Q1和Q2分别进行脉冲宽度调制，即分时控制：当输出电压要求低于输入电压时，对开关管Q1进行脉宽调节控制，而开关管Q2一直关断，那么此时的等效电路就是一个Buck变换器，实现降压功能。此时输出电压与输入电压的关系符合Ui=D1Uo，D1为开关管Q1的占空比，通过调节D1即可调节输出电压的大小。当输出电压要求高于输入电压时，对开关管Q2进行脉宽调节控制，而开关管Q1一直开通，开关管Q3一直截止，那么此时的等效电路就是一个Boost变换器，实现升压功能。此时输出电压与输入电压的关系式为Ui=Uo/(1-D2)，D2为开关管Q2的占空比，通过调节D2即可调节输出电压的大小。这种控制方式和并联组合方式有着同样的优点：升压部分和降压部分的占空比调节范围都为0～1，相当于将调节范围扩大了一倍。但是这种控制方式也存在着缺陷：升压和降压转换时，输出电压会因为开关管占空比的剧烈变化造成波动。

第二种控制方式为Q1、Q2同开同关脉宽调制方式：Q1、Q2控制同时开通和关断，即同开同关方式。当Q1、Q2开通时，Q3关断，电感L充电，承受的电压为Ui，电感电流上升；当Q1、Q2关断时，电感L放电，承受的电压为-Uo，电感电流下降。根据电感L1和L2的伏秒平衡，可推出输入输出电压关系式为Ui= DUo/(1-D)，D为两个开关管的共同的占空比。显然，当D>0.5时，实现升压；D<0.5时，实现降压。这种控制方式不具备分时控制占空比调节范围宽的优点，但是其升降压之间的切换非常平滑。

通过对比两种控制方式，可发现两者的优缺点正好互补，因此可以考虑将两种控制方式结合起来应用，即组合控制方式。

1.2.3 组合控制方式

组合控制方式的提出是为了保留分时控制在输出低压或高压时宽占空比调节范围的优点，以及同开同关方式在高低压转换时的平滑特性。为此，需要先将输出电压划分范围，如当输出电压低于输入电压的90%时，使电路工作在Buck模式，当输出电压高于输入电压的110%时，使电路工作在Boost模式，而在输入电压的90%～110%范围内，转换成同开同关模式。组合控制方式的结构图如图5所示，当输出电压高于输入电压的110%时，Boost信号为高电平，Q1的占空比置1，Q3的占空比置0，Buck信号也为高电平，Q2的占空比由电压环信号决定。如果没有缓冲环节，则占空比的变化同样会引起输出电压的波动，只不过波动的幅度会小于分时控制所造成的影响。那么为了实现平滑切换，采用RC来进行缓冲，切换时电容充放电，则与锯齿波交截的电压逐渐变化，Q1的占空比逐渐增大或减小，此时Q2的占空比仍然在调节以保证输出电压的稳定。同理，当输出电压低于输入电压的90%时，Buck信号为低电平，Q2的占空比置0，Boost信号为高电平，Q1的占空比由电压环信号决定。由于电压环信号与Buck信号存在电压差，因此不能用RC来进行缓冲，只能采用PI调节的方式，其效果与RC缓冲电路相比要差一些。在PI调节的作用下，Q2的占空比被逐渐增大或减小，此时Q1的占空比仍然在调节以保证输出电压的稳定，同时在电压环调节信号上需加入隔离以防止Buck信号影响到Q1的占空比调节。

图5 组合控制方式结构图

2 仿真验证

采用仿真软件Saber对Buck在前Boost在后的级联方式进行仿真验证，仿真参数为：输入DC 100 V，输出电压控制在DC 20～200 V范围内变化，开关频率为50 kHz。组合控制方式的转换电压设为90 V和110 V。

图6给出了两个开关管同开同关时的波形。a图为降压波形，可以看出输出电压Uo_c很好的稳定在DC 20 V，此时两个开关管的占空比一致，且等于0.167；b图给出了升压时的波形，输出电压稳定在DC 200 V，两个开关管的占空比等于0.667。

图6 级联同开同关方式工作波形

图7给出了采用分时控制时的波形。a图中输出电压Uo_s同样能很好的稳定在DC 20 V上，从驱动波形看，开关管Q1在进行脉宽调制，而开关管Q2一直关断，变换器处于Buck模式，实现降压功能； b图是这种控制方式下的升压波形，此时输出电压稳定在DC 200 V，开关管Q1一直开通，开关管Q2在进行脉宽调制，变换器处于Boost模式，实现升压功能。与同开同关方式相比，相同的输出电压下，分时控制的占空比调节余量显然高于同开同关方式。

图7 级联分时控制方式工作波形

图8给出了级联的两种控制方式以及模块并联时输出电压由DC 80 V连续调至DC 120 V的输出电压波形图，其中第一个波形为级联同开同关方式，第二个波形为级联分时控制模式，第三个波形为模块并联模式。显然同开同关方式的升降压切换最为平滑，而另外两种方式由于开关管的切换，导致输出电压在升降压切换时发生波动。

图9为组合控制方式的波形图。输出电压在90 V之前，Q2一直关断，处于Buck模式；之后，Q2开通，Q1和Q2同开同关；当输出电压到达110 V后，Q2一直导通，处于Boost工作状态。从输出电压的波形可以看出，切换到Boost工作状态的过程，很好的实现了平滑切换。而由Buck工作状态切换到同开同关方式时，仍有一定的波动，但是相比并联方式和分时控制，波动幅度大为减小。

图8 降压到升压过程波形比较图9 组合控制方式工作波形

仿真结果说明所提出的电路结构和控制方式都能很好的实现输出电压宽范围可调的功能，尤其是组合控制方式，结合了同开同关和分时控制方式的优点，其占空比宽范围可调，并且升降压切换平滑。

3 结语

本文提出了通过Buck变换器和Boost变换器进行级联或并联组合，来实现开关电源的输出电压宽范围可调。文章对电路结构和控制方式进行了推导和优化，并进行了仿真验证，仿真结果验证了其正确性和可行性。其中，Buck在前Boost在后级联方式的电路结构简单，成本低廉，控制方式简单易行，具有输出电压宽范围可调、高低压切换平滑等特点，具有广阔的市场前景。

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[责任编辑：寸晓非]

2014-09-25

蚌埠学院自然科学研究项目(2011ZR14)；安徽省高等学校省级自然科学研究项目(KJ2013Z193)；安徽省高等学校省级自然科学研究项目(KJ2013Z201)

颜红(1979-)，女，湖南株洲人，蚌埠学院机械与电子工程系讲师，硕士。

TM46

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1008-4657(2014)06-0077-05