CN101373933B - 一种具有平衡能力的半桥变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有平衡能力的半桥变换器及其控制方法，该半桥变换器，包括变压器、第一、二电容、第一、二开关管、第一电感，第一、二电容相连后跨接在输入电源上，第一、二开关管相连后跨接在输入电源上，变压器原边绕组一端接在第一电容和第二电容之间，另一端接在第一开关管和第二开关管之间，第一电感与变压器原边绕组并联。该控制方法包括如下步骤：采样输出电压反馈值，得到第一开关管和第二开关管的总占空比；采样第一电容上的第一电压和第二电容上的第二电压，得到第一开关管和第二开关管的占空比分配因子；根据第一开关管和第二开关管的总占空比和占空比分配因子，分别得到第一开关管和第二开关管的占空比。本发明电路和控制方法简单。

Description

一种具有平衡能力的半桥变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有平衡能力的半桥变换器，本发明还涉及一种具有平衡能力的半桥变换器的控制方法。

背景技术

在现有的电源变换器中，由于负载特性的不同及原边整流器控制的局限性导致了原边整流器输出的正母线电压(即图1中的U_d ⁺)和负母线电压(即图1中的U_d ^-)不平衡。正负母线电压不平衡会对器件应力造成压力，同时系统的性能指标也会受到影响。在传统的方案中为了解决正负母线不平衡的问题，需要在母线上增加一个独立的平衡电路来平衡正负母线电压。这种电路结构复杂、成本高。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种电路结构简单的具有平衡能力的半桥变换器。

本发明所要解决的第二个技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种具有平衡能力的半桥变换器的控制方法。

本发明的第一个技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种具有平衡能力的半桥变换器，包括变压器、第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管，输出整流电路和输出滤波电路，所述输出整流电路连接在变压器副边绕组与输出滤波电路之间，所述第一电容、第二电容相连后跨接在输入电源上，所述第一开关管和第二开关管相连后跨接在输入电源上，所述变压器原边绕组一端接在第一电容和第二电容之间，另一端接在第一开关管和第二开关管之间，还包括第一电感，所述第一电感与变压器原边绕组并联，所述第一开关管和第二开关管交替开通。

优选地，所述第一电感为变压器原边绕组的激磁电感。

所述变压器副边包括第二绕组和第三绕组，所述输出整流电路包括第三二极管和第四二极管，所述输出滤波电路包括第二电感和第三电容，所述第二绕组和第三绕组的一端相互连接后连至第三电容的一端，所述第二绕组另一端与第三二极管阳极相连，所述第三绕组另一端与第四二极管阳极相连，所述第三二极管和第四二极管的阴极都与第二电感一端相连，所述第二电感另一端与第三电容另一端相连。

本发明的第二个技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种对上述具有平衡能力的半桥变换器的控制方法，包括如下步骤：

A.采样输出电压反馈值，根据输出电压反馈值和输出电压预设值得到第一开关管和第二开关管的总占空比；

B.采样第一电容上的第一电压和第二电容上的第二电压，根据第一电压和第二电压得到第一开关管和第二开关管的占空比分配因子；

C.根据第一开关管和第二开关管的总占空比和占空比分配因子，分别得到第一开关管和第二开关管的占空比。

优选地，所述步骤A具体包括如下步骤：采样输出电压反馈值；计算输出电压反馈值和输出电压预设值的第一差值；对第一差值进行比例积分调节，得到第一开关管和第二开关管的初步总占空比；对所述初步总占空比进行限幅处理得到第一开关管和第二开关管的实际总占空比。

所述步骤B具体包括如下步骤：采样第一电容上的第一电压和第二电容上的第二电压；计算第一电压和第二电压的第二差值；对第二差值进行比例积分调节，得到第一开关管和第二开关管的初步占空比分配因子；对第一开关管和第二开关管的初步占空比分配因子进行限幅处理得到第一开关管和第二开关管的实际占空比分配因子。

所述步骤C中第一开关管和第二开关管的占空比按照如下公式得到：D_up＝D×f；D_down＝D×(1-f)，式中D_up是第一开关管的占空比，D_down是第二开关管的占空比，D是第一开关管和第二开关管的实际总占空比，f是第一开关管和第二开关管的实际占空比分配因子。

本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明利用在半桥变换器的变压器原边绕组并联电感，本发明不需要增加一个独立的平衡电路来平衡正负母线电压，电路结构简单。通过本发明的控制方法可平衡正负母线的电压，控制方法简单，可节省成本。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的控制处理过程的示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种具有平衡能力的半桥变换器，包括变压器T、第一电容C1、第二电容C2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电感L1、输出整流电路和输出滤波电路，所述变压器原边包括第一绕组，所述变压器副边中心抽头形成有第二绕组和第三绕组，所述输出整流电路包括第三二极管D3和第四二极管D4，所述输出滤波电路包括第二电感L2和第三电容C3。所述第一开关管Q1上有第一寄生二极管D1，所述第二开关管Q2上有第二寄生二极管D2。

所述第一电容C1、第二电容C2、第一开关管Q1、第二开关管Q2及第一寄生二极管D1、第二寄生二极管D2组成桥，桥的对角线接变压器T的第一绕组。即：所述第一电容C1、第二电容C2相连后跨接在输入电源上，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2相连后跨接在输入电源上，所述变压器T原边的第一绕组一端接在第一电容C1和第二电容C2之间，另一端接在第一开关管Q1和第二开关管Q2之间。所述第一电感L1与变压器原边绕组并联。所述第一电感L1可以是外接的独立电感；也可以是变压器T原边第一绕组的激磁电感，即通过在变压器T上加气隙的方式形成的集成电感。所述第一开关管Q1和第二开关管Q2交替开通，同时为避免变压器T饱和，对第一开关管Q1和第二开关管Q2的总占空比需要有限制。

所述输出整流电路连在变压器副边绕组与输出滤波电路之间。所述变压器T副边的第二绕组和第三绕组、第三二极管D3和第四二极管D4、第二电感L2、第三电容C3、负载电阻RL组成了降压(BUCK)电路。所述变压器副边中心抽头(即第二绕组和第三绕组的连接点)连至第三电容C3的一端，所述第二绕组另一端与第三二极管D3阳极相连，所述第三绕组另一端与第四二极管D4阳极相连，所述第三二极管D3和第四二极管D4的阴极都与第二电感L2一端相连，所述第二电感L2另一端与第三电容C3另一端相连。

上述具有平衡能力的半桥变换器的工作原理如下：当第一开关管Q1导通时，第一电容C1上的电压U_d ⁺加在变压器原边第一绕组及第一电感L1两端，图1中A点流过的电流I₁为负载电流I_O折算至原边的电流加上第一电感L1上的电流，电流I₁向正方向(即图1中所标注的方向)增加。此时变压器T副边第二绕组的电压V_s′使第三二极管D3导通。经过第一开关管Q1的占空比所占时间后，第一开关管Q1关断。此时由于电流I₁仍为正，第二二极管D2导通续流，A点电位为U_d ^-，第一电感L1储能对第二电容C2进行充电。此时变压器T副边第三绕组的电压-V_s′使第四二极管D4管导通。当电流I₁为零时，第二二极管D2截止。副边第二电感L2的储能继续给负载R_L提供能量。当变压器副边线圈(第二绕组和第三绕组)电压降到零时，第三二极管D3、第四二极管D4都起着续流作用。

当第二开关管Q2导通时，第二电容C2上的电压U_d ^-加在变压器原边第一绕组及第一电感L1两端，电流I₁为负载电流I_O折算至原边的电流加上第一电感L1上的电流，电流I₁向负方向增加。此时，变压器副边的第三绕组的电压-V_s′使第四二极管D4导通。经过第二开关管Q2占空比所占时间后，第二开关管Q2关断。此时由于电流I₁仍为负，第一二极管D1导通续流，A点电位为U_d ⁺，第一电感L1上的储能对C1进行充电。此时，变压器T的第二绕组的电压V_s′使第三二极管D3管导通。当电流I₁为零时，第一二极管D1截止。第二电感L2储能继续为负载R_L提供能量。当变压器副边线圈电压降到零时，第三二极管D3、第四二极管D4都起着续流作用。

如图2所示，一种对权利要求1所述的具有平衡能力的半桥变换器的控制方法，包括如下步骤：

第一步：控制模块采样当前输出电压反馈值U_o；计算输出电压反馈值U_o和输出电压预设值U_o ^*的第一差值；对第一差值进行比例积分调节(PI)，得到第一开关管Q1和第二开关管Q2的初步总占空比；对所述初步总占空比进行限幅处理得到第一开关管Q1和第二开关管Q2的实际总占空比。

所述比例积分调节的方法如下：E₁(k)＝U_o ^*(k)-U(k)； $D\left(k\right)=K_{p1}*E\left(k\right)+K_{I1}*\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}E\left(j\right).$ 式中，U_o ^*(k)为K时刻的输出电压预设值；U(k)为K时刻的输出电压的反馈值；E₁(k)为输出电压在K时刻的预设值与反馈值之间的差；K_p1为总占空比调节器的比例系数；K_I1为总占空比调节器的积分系数。

所述限幅处理是指：当计算所得值不在预先设定的幅度范围内时，进行幅度调整，如预先设定的总占空比为0至1之间，如果控制模块计算出的初步总占空比大于1，则选取1为实际总占空比，如果控制模块计算出的初步总占空比小于0，则选取0为实际总占空比。本发明为了避免变压器T饱和，将第一开关管Q1和第二开关管Q2的实际总占空比的上限值选取为界于0和1之间的某个值，如0.5。

第二步：采样第一电容上的第一电压U_d ⁺和第二电容上的第二电压U_d ^-；计算第一电压U_d ⁺和第二电压U_d ^-的第二差值；对第二差值进行比例积分调节，得到第一开关管Q1和第二开关管Q2的初步占空比分配因子；对第一开关管Q1和第二开关管Q2的初步占空比分配因子进行限幅处理得到第一开关管Q1和第二开关管Q2的实际占空比分配因子。

所述比例积分调节的方法如下：E₂(k)＝U_d ⁺(k)-U_d ^-(k)； $f\left(k\right)=K_{p2}*E_2\left(k\right)+K_{I2}*\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{E}_2\left(j\right).$ 式中，U_d ⁺(k)为K时刻第一电容C1上的电压；U_d ^-(k)为K时刻第二电容C2上的电压；E₂(k)为K时刻第一电容C1和第二电容C2上的电压差；K_p2为占空比分配因子调节器的比例系数；K_I2为占空比分配因子调节器的积分系数；f(k)为K时刻的第一开关管Q1和第二开关管Q2的占空比分配因子。

第三步：根据第一开关管Q1和第二开关管Q2的总占空比和占空比分配因子，分别得到第一开关管Q1和第二开关管Q2的占空比。第一开关管Q1和第二开关管Q2的占空比按照如下公式得到：D_up＝D×f；D_down＝D×(1-f)，式中D_up是第一开关管的占空比，D_down是第二开关管的占空比，D是第一开关管Q1和第二开关管Q2的实际总占空比，f是第一开关管Q1和第二开关管Q2的实际占空比分配因子。

本发明通过在变压器T原边第一绕组的两端并联电感L1，通过控制第一开关管Q1和第二开关管Q2的驱动脉冲既可以控制第一电感L1上的电流(平衡正负母线电压)，又可以控制变压器副边输出电压U_o。通过控制第一开关管Q1和第二开关管Q2的驱动脉冲对总占空比的分配因子可以控制第一电感L1上的电流，第一电感L1电流的直流分量即体现了半桥变换器对正负母线电压的平衡能力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种对具有平衡能力的半桥变换器的控制方法，所述具有平衡能力的半桥变换器，包括变压器、第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管，输出整流电路和输出滤波电路，所述输出整流电路连接在变压器副边绕组与输出滤波电路之间，所述第一电容、第二电容相连后跨接在输入电源上，所述第一开关管和第二开关管相连后跨接在输入电源上，所述变压器原边绕组一端接在第一电容和第二电容之间，另一端接在第一开关管和第二开关管之间，所述具有平衡能力的半桥变换器还包括第一电感，所述第一电感与变压器原边绕组并联，所述第一开关管和第二开关管交替开通；其特征在于：包括如下步骤：

A.采样输出电压反馈值，根据输出电压反馈值和输出电压预设值得到第一开关管和第二开关管的总占空比；具体包括如下步骤：采样输出电压反馈值；计算输出电压反馈值和输出电压预设值的第一差值；对第一差值进行比例积分调节，得到第一开关管和第二开关管的初步总占空比；对所述初步总占空比进行限幅处理得到第一开关管和第二开关管的实际总占空比；

B.采样第一电容上的第一电压和第二电容上的第二电压，根据第一电压和第二电压得到第一开关管和第二开关管的占空比分配因子；具体包括如下步骤：采样第一电容上的第一电压和第二电容上的第二电压；计算第一电压和第二电压的第二差值；对第二差值进行比例积分调节，得到第一开关管和第二开关管的初步占空比分配因子；对第一开关管和第二开关管的初步占空比分配因子进行限幅处理得到第一开关管和第二开关管的实际占空比分配因子；

C.根据第一开关管和第二开关管的总占空比和占空比分配因子，分别得到第一开关管和第二开关管的占空比；其中第一开关管和第二开关管的占空比按照如下公式得到：D_up＝D×f；D_down＝D×(1-f)，式中D_up是第一开关管的占空比，D_down是第二开关管的占空比，D是第一开关管和第二开关管的实际总占空比，f是第一开关管和第二开关管的实际占空比分配因子。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述第一电感为变压器原边绕组的激磁电感。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述变压器副边包括第二绕组和第三绕组，所述输出整流电路包括第三二极管和第四二极管，所述输出滤波电路包括第二电感和第三电容，所述第二绕组和第三绕组的一端相互连接后连至第三电容的一端，所述第二绕组另一端与第三二极管阳极相连，所述第三绕组另一端与第四二极管阳极相连，所述第三二极管和第四二极管的阴极都与第二电感一端相连，所述第二电感另一端与第三电容另一端相连。

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