[發明專利]一種基于平均電流模的BUCK-BOOST變換器及其變換方法

在審

• 申請號: 202010225770.1
• 申請日: 2020-03-26
• 公開（公告）號: CN111245242A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 張亮;江力;陳偉
• 申請（專利權）人: 珠海英集芯半導體有限公司
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M1/44
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 盧澤明

本發明公開了一種基于平均電流模的BUCK?BOOST變換器及變換方法，變換器包括由第一開關管TG1、第二開關管BG1、第三開關管TG2和第四開關管BG2四個開關管及電感組成的H橋架構的主功率模塊、電壓外環誤差放大器EA1、電流內環誤差放大器EA2、電感電流采樣模塊、電壓采樣電路模塊、電感電流過零比較器、鋸齒波發生器、第一PWM比較器、第二PWM比較器、模式選擇模塊、邏輯控制模塊及驅動模塊。本變換器及其變換方法實現了BUCK?BOOST雙模控制的平滑切換，優化了開關順序，實現了高效率與低EMI特性，并且一個采樣電路便可實現逐周期限流與采樣平均電感電流的功能，電路結構簡單，降低了成本。

技術領域

本發明涉及DC-DC變換器技術領域，具體涉及一種基于平均電流模的BUCK-BOOST變換器及其變換方法。

背景技術

BUCK-BOOST的結構圖如圖1所示，根據開關的控制方式可以將其分為單模控制、雙模控制和三模控制。單模控制指一個周期內功率管Q1與Q2同時開通與關斷的控制方式，其相關波形如圖2所示，其中，Vsaw1與Vsaw2分別為Q1與Q2的鋸齒信號，它們有相同的峰峰值與頻率，Ve為Q1與Q2的共用誤差調制信號，因而兩個開關管的占空比相等。工作過程如下：當Q1與Q2打開時，D1與D2反向關斷無電流，電感電流上升并存儲能量，由電容Cf為負載提供能量；當Q1與Q2關斷時，D1與D2正向導通續流，電感電流能量釋放給電容Cf與負載。控制不同的占空比，就可以得到輸出電壓低于、等于、高于輸出電壓，從而實現BUCK-BOOST的功能。雙模控制指一個周期內只有BUCK模式或BOOST模式工作，不存在Q1與Q2同時開關的情況。圖3為雙模控制的相關波形，當VinVo時，電路工作于BUCK模式；當VinVo時，電路工作于BOOST模式；當Vin≈Vo時，電路工作于一個周期BUCK，一個周期BOOST交替的運行方式(圖中沒有畫出，后續專利中有相關波形)。工作原理如下：當工作于BUCK模式周期時，Q2整個周期內常關，Q1與正常的BUCK工作波形相同；當工作于BOOST模式周期時，Q1整個周期內常開，Q2與正常的BOOST工作波形相同。三模控制是指同時含有BUCK、BOOST、BUCK-BOOST三個工作模式的控制策略，如圖4所示，當VinVo+Vh時，電路工作于BUCK模式；當VinVo-Vh時，電路工作于BOOST模式；當Vo-VhVinVo+Vh時，電路工作于BUCK_BOOST模式。

由上面的分析可知，欲使BUCK-BOOST的效率高，每個周期內開關管Q1與Q2的開關次數要少，單模控制與三模控制都存在一個周期內Q1與Q2同時開關動作的情況，因而效率比雙模控制要低。雙模控制是BUCK-BOOST提升效率的優先方案。

BUCK-BOOST變換器根據環路架構可以分為電壓模與電流模兩種控制方式。圖5是BUCK-BOOST電壓模控制原理圖，輸出電壓反饋與基準電壓比較后得到的誤差信號與雙鋸齒波進行比較，得到的PWM信號經過處理后控制Q1與Q2的開通與關斷。由于需要補償主功率電路的雙輸出極點，因而需要使用三型零極點補償網絡，又BUCK模式與BOOST模式均靠此電路補償，因而補償設計比較復雜。

圖6是BUCK-BOOST峰值電流模控制原理圖，與電壓模不同的是，采樣電感電流峰值取代了鋸齒波，與誤差放大器的輸出比較得到PWM信號。此處電感電流采樣的是Q1上的峰值，實際雙模控制中，當Vin與Vo接近時，電路一個周期工作于BUCK，一個周期工作于BOOST，Q1上的電流值波動很小，并且有可能是下降的，因而峰值電流模式不再適合。此時一種替代方案是BUCK工作于谷值電流模式，BOOST工作于峰值電流模式，這樣便不存在上面的問題了，然后這種方案需要電流采樣電路既能夠采樣到BOOST模式時電感電流的峰值，又能夠采樣到BUCK模式時電感電流的谷值，因而并不容易實現。

一種解決方案如圖7所示，在D1與Q2的公共端加一個電阻，采樣這個電阻上的電流即可以得到BUCK模式時電感電流的谷值與BOOST模式時電感電流的峰值。但是由于通過D1與Q2的電流很大，因而外加電阻上消耗的功率也很大，并且對電阻的精度要求較高，因而需要外置，這就需要封裝增加一個PIN，從而增加了成本。