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Buck‑Boost变换器的交错开关方法及其实现电路 
    【技术领域】

    本发明涉及一种Buck‑Boost变换器的开关控制电路，尤其是一种交错驱动信号实现电路，属于直流变换器的开关控制领域。 

    背景技术

    在光伏户用屋顶应用领域，电池阵列功率等级一般为2～5kW，由多个太阳能电池板串联输出电压约200～700VDC，其宽的输入电压范围给单级式并网逆变器的优化设计带来极大挑战，两级式结构可以使系统分级优化和控制，因此整个系统设计非常方便，目前的光伏并网逆变器一般采用两级式结构。两级式结构中前级直流变换器主要完成电池电压到中间母线电压的变换和最大功率点跟踪(MPPT)，非隔离式直流变换器由于不带高频变压器可以提高变换效率。现在普遍采用Boost变换器，在电池电压较低时实现升压功能，若电池电压升高则停止Boost变换器由后级逆变器同时实现降压和并网功能，这样势必会增加逆变器的容量。 

    双管Buck‑Boost变换器具有输入输出电压同极性和升降压特性，适合应用于宽输入电压的两级式并网逆变器的前级直流变换。现有文献中，双管Buck‑Boost变换器主要有同步开关和组合开关两种控制方式。同步开关方式下两只开关管同时开通和关断，需要较大的储能电感，不利于变换器效率和体积大小的改善；而组合开关方式是在输入电压低于输出电压时工作在Boost模式，Buck管处于直通状态，而在输入电压高于输出电压时工作于Buck模式，Boost管处于关断状态。组合开关方式可以降低开关损耗，但两种工作模式的平滑过渡很困难，需要复杂的控制逻辑和控制电路实现。 

    【发明内容】

    发明目的： 

    本发明的目的是为了克服Buck‑Boost变换器的同步开关和组合开关方式下的缺陷，提供一种可以实现Buck‑Boost变换器的储能电感减小、变换效率提高和无需平滑过渡控制的开关控制电路。 

    技术方案： 

    本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案： 

    一种Buck‑Boost变换器的交错开关方法，Buck开关管和Boost开关管的开通时刻相移180度，且占空比大小相等，占空比变化范围为0～1，无模式切换。 

    一种实现本发明的电路，包括第一PWM芯片、第二PWM芯片、第三PWM芯片、第一光藕合器、第二光藕合器、高端驱动芯片、低端驱动芯片； 

    其中第一PWM芯片的第14引脚与第二PWM芯片的第4引脚连接，第一PWM芯片的第11引脚与第三PWM芯片的第4引脚连接，第一PWM芯片的第9引脚输出固定窄占空比控制信号； 

    第二PWM芯片的第14引脚、第11引脚分别与二极管连接后，与第一光藕合器的输入端连接，第一光藕合器的输出端连接高端驱动芯片的输入端，高端驱动芯片的输出端接Buck开关管的驱动端； 

    第三PWM芯片的第14引脚、第11引脚分别与二极管连接后，与第二光藕合器的输入端连接，第二光藕合器的输出端连接低端驱动芯片的输入端，低端驱动芯片的输出端连接Boost开关管的驱动端； 

    第二PWM芯片的第9引脚与第三PWM芯片的第9引脚连接，输出占空比控制信号。 

    有益效果： 

    本发明的Buck‑Boost变换器的开关控制电路，可以使得储能电感最小和提高变换器效率，不存在工作模式的切换，实现简单，工作特性好；交错驱动信号产生电路输出的两路PWM信号占空比大小一致性好。 

    【附图说明】

    图1是本发明所应用的Buck‑Boost变换器的主电路结构示意图； 

    图2是本发明的Buck‑Boost变换器的交错驱动信号实现电路结构示意图； 

    图3(a)～(b)是本发明的交错开关方式工作波形图，(a)U_pv＞U_dc、(b)U_pv＜U_dc； 

    图4(a)～(d)是本发明的交错开关方式下变换器的工作模态，(a)S₁开通、S₂开通、(b)S₁关断、S₂关断、(c)S₁开通、S₂关断、(d)S₁关断、S₂开通； 

    图5(a)～(c)是本发明在Buck‑Boost变换器实施例上的实验波形，(a)U_pv＝250V，U_dc＝375V，P_o＝2.8kW、(b)U_pv＝370V，U_dc＝375V，P_o＝2.8kW、(c)U_pv＝450V，U_dc＝375V，P_o＝2.8kW，图中刻度为ch1：S₁驱动信号，10V/div；ch2：S₂驱动信号，10V/div；ch3：电感L两端电压，200V/div；ch4：流过电感L电流，3.75A/V。 

    上述附图的主要符号及标号名称：U_pv——太阳能电池板输出电压；L——储能电感；S₁、S₂——功率开关管；D₁、D₂——功率二极管；C_pv——电池侧电解电容；C_dc——母线侧解耦电容；U_dc——中间母线电压；u_L——储能电感L上的电压。 

    【具体实施方式】

    下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明： 

    如图1所示，是本发明的实施主电路，它包括Buck开关管S₁和二极管D₁、Boost开关管S₂和二极管D₂、中间储能电感L、母线解藕电容C_dc。 

    如图2所示，Buck‑Boost变换器的交错驱动信号实现电路，包括第一PWM芯片、第二PWM芯片、第三PWM芯片、第一光藕合器、第二光藕合器、高端驱动芯片、低端驱动芯片；其中第一PWM芯片的第14引脚与第二PWM芯片的第4引脚连接，第一PWM芯片的第11引脚与第三PWM芯片的第4引脚连接，第一PWM芯片的第9引脚输出固定窄占空比控制信号；第二PWM芯片的第14引脚、第11引脚分别与二极管连接后，与第一光藕合器的输入端连接，第一光藕合器的输出端连接高端驱动芯片的输入端，高端驱动芯片的输出端接Buck开关管的驱动端；第三PWM芯片的第14引脚、第11引脚分别与二极管连接后，与第二光藕合器的输入端连接，第二光藕合器的输出端连接低端驱动芯片的输入端，低端驱动芯片的输出端连接Boost开关管的驱动端； 

    本发明的交错开关方式是：Buck开关管S₁和Boost开关管S₂的开通时刻相移180度，且占空比大小相等，占空比变化范围为0～1。无需工作模式切换。附图3和附图4分别为本发明控制方式下的稳态工作波形图和工作模态等效电路。由电感“伏秒平衡”得到变换器的输入输出关系和电感量的表达式： 

     $\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_{\mathrm{pv}}}=\frac{D}{1-D}---\left(1\right)$

     $L=\left\{\begin{array}{c}\frac{(U_{\mathrm{pv}}-U_{\mathrm{dc}})U_{\mathrm{dc}}}{(U_{\mathrm{pv}}+U_{\mathrm{dc}})\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{if}}_s},0.5>D<\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}\mathrm{and}\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}+D<1\\ \frac{U_{\mathrm{pv}}{U}_{\mathrm{dc}}/(U_{\mathrm{pv}}+U_{\mathrm{dc}})-U_{\mathrm{pv}}(1-\mathrm{\&phi;}/360)}{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{if}}_s},0.5<D<\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}\mathrm{and}\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}+D>1\\ \frac{U_{\mathrm{pv}}{U}_{\mathrm{dc}}/(U_{\mathrm{pv}}+U_{\mathrm{dc}})-U_{\mathrm{dc}}(1-\mathrm{\&phi;}/360)}{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{if}}_s},0.5>D<\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}\mathrm{and}\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}+D>1\\ \frac{U_{\mathrm{pv}}{U}_{\mathrm{dc}}/(U_{\mathrm{pv}}+U_{\mathrm{dc}})-U_{\mathrm{pv}}\mathrm{\&phi;}/360}{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{if}}_s},0.5<D>\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}\mathrm{and}\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}+D<1\\ \frac{U_{\mathrm{pv}}{U}_{\mathrm{dc}}/(U_{\mathrm{pv}}+U_{\mathrm{dc}})-U_{\mathrm{dc}}\mathrm{\&phi;}/360}{{\mathrm{\&Delta;if}}_s},0.5>D>\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}\mathrm{and}\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}+D<1\\ \frac{U_{\mathrm{pv}}(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{pv}})}{(U_{\mathrm{pv}}+U_{\mathrm{dc}}){\mathrm{\&Delta;if}}_s},0.5>D>\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}\mathrm{and}\frac{\mathrm{\&phi;}}{360}+D>1\end{array}\right.---\left(2\right)$

    本发明的开关方式不改变变换器在原同步开关方式下的输入输出电压关系，但在储能电感电流脉动量相同的的条件下可以使得所需储能电感感值最小。 

    本发明的交错开关驱动波形产生电路包括PWM芯片SG3525‑1、SG3525‑2、SG3525‑3，光藕1和2，高端驱动芯片和低端驱动芯片。SG3525‑1产生相移180度的窄脉冲分别接入SG3525‑2和SG3525‑3的4脚振荡器输出端OSC OUTPUT，保证了SG3525‑2和SG3525‑3锯齿波频率一致、相移180度，特别的可以保证两者锯齿波的最大、最小值一致，保证了输出占空比大小的一致性。本发明的交错开关驱动波形产生电路均由集成芯片组成，所需电路板面积小、可靠性高。 

    本发明的一个具体实例如下：电池板电压U_pv＝200～550V、电网电压U_grid＝220VRMS、电网频率f_grid＝50Hz、额定功率P_N＝3kW；电感L＝0.36mH，母线电容C＝2820μF，母线电压U_dc＝375V，功率开关S₁、S₂‑3×STY60NM60，功率二极管D₁、D₂‑3×RHRG5060；；开关频率f＝50kHZ。附图5为该实例的具体实验波形图。 

    本发明Buck‑Boost变换器的开关控制的交错开关方式是：Buck开关管和Boost开关管的开通时刻相移180度，且占空比大小相等，占空比变化范围为0～1，无工作模式切换。 

    本发明同样适用于Buck‑Boost变换器以SPWM方式工作时的开关控制。 

    本发明同样适用于Boost‑Buck级联变换器以SPWM或PWM方式工作时的开关控制。