改进型非反相降压-升压DC-DC变换器的纹波最小化方法

《Technologies》：Ripple Minimization Method for a Modified Non-Inverting Buck–Boost DC–DC Converter Juan Antonio Villanueva-Loredo, Panfilo R. Martinez-Rodriguez, Julio C. Rosas-Caro, Christopher J. Rodriguez-Cortes, Diego Langarica-Cordoba and Gerardo Vazquez-Guzman

　　

研究人员提出了一种为改进型非反相降压-升压（MNI-SDU）DC-DC变换器开发的改进开关策略。与先前研究的开关策略不同，所提方法在不增加开关频率的情况下改变了开关序列和相应的等效电路。该开关技术改变了用于选择变换器电容的方程，使得在保持与先前操作相同电容容值的条件下，电容上的电压纹波得以改变。研究人员通过理论解释介绍了所提出的开关技术，并通过对一个570 W样机的实验结果验证了所提方法的可行性。结果表明，新操作降低了电容容值，并实现了两个电容超过58%的电压纹波降低，同时保持了期望的工作状态、指定的电容容值和电压调节。所提策略为电池调节和可再生能源系统中的高性能功率变换器提供了一种紧凑且有效的解决方案。

在电力电子领域，DC-DC变换器广泛应用于可再生能源系统、电动汽车和便携式电子设备中，其中非反相降压-升压变换器因能同时实现降压和升压功能且保持输入电流连续而备受关注。Villanueva-Loredo等人提出的改进型非反相降压-升压（Modified Non-Inverting Step-Down/Up, MNI-SDU）变换器，通过非级联结构减少冗余功率处理，具有低器件数量、非脉动输入电流和非反向输出电压等优势。已有同步两状态调制（Synchronous Two-State Switching, STSS）和异步时间偏移调制（Asynchronous Modulation with Time Offset, AMTO）两种策略，其中AMTO通过加入时间偏移δ减小了电感电流纹波和半导体电压应力，但电容电压纹波仍有优化空间。目前存在的问题是：电容电压纹波影响输出质量和电容寿命，需在不增加开关频率、不改变电压应力且保持电容容值不变的条件下进一步降低纹波。为此，研究人员开展了本项研究，提出一种新的异步相移调制策略（Asynchronous Phase-Shift Modulation with Time Offset, APSMTO），以在不改变平均模型和稳态特性的前提下，显著减小电容电压纹波。实验在570 W样机上验证，结果表明该策略能使两个电容的电压纹波降低超过58%，同时保持电流纹波和电压应力与AMTO相当。该成果发表在《Technologies》期刊上，为电池调节和可再生能源系统提供了紧凑高效的解决方案。

研究人员为开展本研究采用了以下关键技术与方法：首先，提出异步相移调制（APSMTO）策略，通过改变脉宽调制（PWM）信号的相位和时序，使开关序列在降压和升压模式下自动切换，从而产生三种不同的开关状态。其次，基于状态空间平均法建立统一平均模型，推导稳态电压增益、电感电流纹波和电容电压纹波的解析表达式，并得到新的电容选型方程。第三，通过小信号线性化获得系统传递函数，设计双环PI-PI电流模式控制器（内环控制输入电流，外环控制输出电压），利用环路整形技术确保带宽和相位裕度。最后，采用DSP TMS320F28335实现数字控制，使用CLN-50电流传感器和LV-25P电压传感器，在输入电压200-250 V、输出电压220 V、输出功率570 W、开关频率100 kHz的样机上进行实验验证。

研究结果按原文小节总结如下：

**4.1 PI-PI电流模式控制器**
研究人员对MNI-SDU变换器在APSMTO调制下的平均模型进行小信号线性化，得到输入电流对占空比和输出电压对占空比的传递函数。其中输出电压传递函数为非最小相位，而输入电流传递函数为最小相位，因此采用电流模式双环控制结构。通过环路整形设计PI参数：内环比例增益k_pi=0.3、积分增益k_ii=2800，带宽10 kHz，相位裕度40°；外环比例增益k_pv=0.003、积分增益k_iv=56，带宽400 Hz，相位裕度85°，增益裕度20 dB。该控制器保证了系统的稳定性和动态响应。

**4.2 闭环测试**
（1）稳态测试：分别在降压（E=250 V）、单位增益（E=220 V）和升压（E=200 V）模式下测量状态变量。实验显示平均输入电流I_L1、第二电感电流I_L2和输出电压V_C2与理论值一致，验证了平均模型的正确性。例如降压模式下，V_C1=93 V，Δi_L1=0.42 A，Δi_L2=0.55 A；单位增益模式下，V_C1=73 V，Δi_L1=Δi_L2=0.46 A；升压模式下，V_C1=60 V，Δi_L1=0.48 A，Δi_L2=0.4 A。电容电压纹波在降压、单位增益、升压模式下分别为Δv_C1=1 V/Δv_C2=0.7 V、0.5 V/0.2 V、1.4 V/1.1 V。（2）负载阶跃测试：负载从570 W切换到285 W时，输入电流和输出电流相应变化，但输出电压始终稳定在220 V，表明控制策略具有良好的动态调节能力。（3）输入电压变化测试：输入从200 V逐渐升至250 V，输出保持220 V，V_C1从60 V升至94 V，验证了变换器对源波动的抑制能力。（4）参考电压阶跃测试：参考从200 V阶跃至250 V，输出能快速准确跟踪，无超调。（5）与现有策略对比：与STSS相比，APSMTO使V_C1降低62.4%（降压）和70%（升压），Δi_L1降低60%和46.7%，Δv_C1降低81.8%和77.4%，Δv_C2降低87.3%和82.2%，电压应力降低33.9%和33.3%。与AMTO相比，APSMTO在V_C1、V_stress、Δi_L1和Δi_L2上无变化，但Δv_C1降低58.3%（降压）和58.8%（升压），Δv_C2降低70.8%和67.6%。纹波随增益变化的曲线表明，在单位增益附近（G≈0.75~1.25），电容电压纹波的改善最为显著。此外，该策略存在一定局限性：转换器电压增益随δ增加而降低，仅适用于双开关升降压变换器，且在单位增益附近效果最佳，同时开关管的工作点接近临界占空比边界。

结论翻译：本文提出了一种用于改进型非反相降压-升压（MNI-SDU）DC-DC变换器的新型开关策略。所提出的触发序列改变了开关周期中的等效电路，使得在保持与先前操作模式相同的平均模型和稳态行为的同时，能够推导出一组新的电容选择方程。所提出的开关策略（APSMTO）的主要优势是能够在指定输出电压纹波条件下减小所需的电容容值。从570 W实验室样机获得的仿真和实验结果证实了理论预测。新操作实现了两个电容上电压纹波超过58%的显著降低。此外，与AMTO策略相比，半导体上的电压应力和电感上的电流纹波保持不变，同时保持了高效率和稳定的动态响应。因此，所提出的方法为MNI-SDU变换器提供了一种简单而有效的方式来提高功率密度和减小元件尺寸。这些改进使该变换器在电池调节系统、可再生能源接口和紧凑型直流微电网等对尺寸、效率和低纹波有关键要求的应用中更具吸引力。