CN101639670A - 带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器属于功率开关领域，功率变换器由功率开关与驱动电路，前馈补偿控制和波形叠加电路，瞬时扰动量检测电路，峰值电流检测电路，后沿调制的PWM信号电路构成，功率开关与驱动电路是由功率开关管和驱动电路组成，瞬时扰动量检测电路是由单开关周期积分器电路构成的，峰值电流检测电路由电流放大器构成，后沿调制的PWM信号电路是由电流放大器和电压误差放大器、PWM比较器、锁存器、触发器构成，前馈补偿控制和波形叠加电路由电子开关和积分电容与比较器构成，本发明动态响应快，调节性能好，过冲电压幅值小，改善了开关调节系统的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器属于功率开关领域。
背景技术
在现有技术中，谐振功率变换器(无论是串联谐振、并联谐振、还是串并联谐振)具有相当优良的表现，特别是具有极低的开关损耗，具有正弦波形式电流传输波形，谐波电流极低，同时还具有输出端自然零流开关式整流换相状态，此类变换器是以变频控制来调节输出的。目前的大多数变换器控制技术基本上都是传统的单电压环控制技术，将输出电压与预设的输出电压基准信号比较，求出输出误差电压，以此误差量调控电路的工作频率来实现输出的稳定。由于谐振回路本身就是一个大的惯性环节，特别是大功率的功率变换器尤显突出，难于接受外来信号的控制，对系统中所产生的瞬时扰动因素反应很慢，至少需要几个到几十个开关周期；当调控发生作用时，瞬时扰动因素所产生的危害早已形成，间歇、自激、软开关局部功能丧失等现象很容易发生，“爆管”类恶性故障也在所难免，因而导致电路的可靠性下降；另外，大功率谐振变换器对输入侧变化表现出特别的“敏感”，由于该类系统是靠频率变化实现调制的，其电感、漏感等杂散参数对系统影响也很大。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处，而提供一种对瞬时扰动因素快速反应，电路可靠性好，带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器。
本发明的目的是通过以下措施来达到的，功率变换器通过控制电路控制，在功率变换器上有电压检测的负反馈环路，在功率变换器上有瞬时扰动量检测电路及扰动补偿构成的前馈补偿控制电路。
功率变换器由功率开关与驱动电路，前馈补偿控制电路和波形叠加电路，瞬时扰动量检测电路，峰值电流检测电路，后沿调制的PWM信号生成电路构成；
功率开关与驱动电路是由功率开关管和驱动电路组成，功率开关与驱动电路输出连接功率变换器主回路。功率变换器回路通过整流、滤波、变压器输出。
瞬时扰动量检测电路是由单开关周期积分器电路完成的，由二极管连接比较器构成一电子开关回路，将比较器输出的单开关周期的开关信号送入积分电容回路上，二极管与积分电容和比较器构成了单开关周期的积分器电路。瞬时扰动量检测是通过对谐振电流作单开关周期的积分电路完成的，其复位方式是由开关输出信号自动完成的，所得到的积分值是一锯齿波形，其斜率表征了谐振回路的瞬时扰动量的大小。
峰值电流检测电路由电流放大器构成，电流放大器为谐振峰值电流的检测。
后沿调制的PWM信号生成电路是由电流放大器和电压误差放大器、PWM比较器、锁存器、触发器构成，形成了带有后沿调制双路PWM脉冲波。由电流放大器输出信号与电压误差放大器输出信号接到PWM比较器的输入端，将峰值电流信号与变换器输出电压误差信号相比较，输出后沿调制的PWM信号，将PWM信号比较器输出接到锁存器并与时钟信号配合后送入T触发器，将后沿调制的信号作分频处理，形成双路输出的开关信号，开关信号送入功率驱动级后输出。其后沿调制量表征了谐振回路的瞬时扰动量，同时，这一系统构成了由电流和电压双环控制的系统，这改善了开关变换器系统的动态响应、稳定性和可靠性。
前馈补偿控制电路和波形叠加电路由电子开关和积分电容与比较器构成，对后沿调制的PWM波形同步整形，得到了后沿调制锯齿波信号，并将这一锯齿波送入时钟振荡器充放电电容回路中与充放电电容相叠加，从而使得时钟振荡器输出频率受控于后沿调制的锯齿波后沿时刻，以此完成PWM脉冲的频率调制方式，时钟脉冲的频率表征了谐振回路中的瞬时扰动量的大小与方向，于是，本开关周期中所测量到的谐振回路瞬时扰动量可在下一个开关周期以频率的方式作补偿处理。
发明有效地解决了现有技术中对谐振变换器控制的动态响应慢、过冲、不稳定和不可靠等问题，动态响应快，调节性能好，过冲电压幅值小，改善了开关调节系统的稳定性和可靠性，便于广泛而方便地应用，以提高和扩大这种高性能变换的推广与应用。
附图说明
附图1为本发明的控制系统原理框图。
附图2为本发明的电路原理示意图。
附图3为本发明的后沿调制的PWM脉冲波形逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如附图1所示，本发明是一个带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器，功率变换器通过控制电路控制，在功率变换器上有电压检测的负反馈，在功率变换器上有扰动量测量的扰动补偿的前馈补偿，功率变换器能够将谐振回路中的瞬时扰动量在一个开关周期内完成测量及信号变换，并在下一个开关周期内将瞬时扰动量做以即时补偿，动态响应快，调节性能好，过冲电压幅值小，改善了稳定性和可靠性。
如附图2所示，本发明带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器为一个半桥式串联谐振变换器，附图2所示B区为一单开关周期的积分电路，是对串联谐振回路中谐振电流的平均值做单开关周期积分；由此构成了一个对谐振电流进行的单开关周期的电子积分电路，电路的输出为一锯齿波形。就单一个锯齿波形的面积而言，它表征了一个开关周期内谐振电流的平均值，它也包含了该开关周期内瞬时扰动量值，特别要指出的是，锯齿波斜率小表示瞬时扰动量小，由此就可测得谐振回路中的瞬时扰动量的大小与方向，从而得到了一个矢量值；与此同时也形成了逐个脉冲电流值。值得注意的是，由于存在着瞬时扰动量值，每个脉冲电流积分值的斜率就不尽相同；由CT1耦合取得谐振回路电流，将其整流及滤波形成平均电流，将该平均电流送入C10电容上积分；同时，将双路输出的带后沿调制的PWM脉冲DRV-A和DRV-B送入D3倍频后送入U2C比较器构成一电子开关回路，从而形成一个以开关PWM信号周期动作的电子开关，将U2C输出的单开关周期的开关信号送入积分电容C10回路上，做复位处理，由此，C10与D3和U2C构成了单开关周期的积分器电路。
附图2所示D区为一个峰值电流检测电路并以占空比的方式表征峰值电流的矢量值，同时D区也完成了分频与功率输出及保护的功能；构成了由电流回路和电压回路作为控制器的双环控制系统，这极大地改善了开关调节系统的瞬态特性。将谐振电流的单开关周期积分值送入电流放大器CA中，输出值Ui送入PWM比较器中与功率变换器输出电压误差放大器EA输出的误差值Uu相比较后，经过锁存器便得到了带有后沿调制的PWM脉冲，再经触发器分频后形成带有后沿调制的PWM双路输出的开关信号。该信号的占空比表征了瞬时扰动量的矢量值，也就是瞬时扰动量大时，PWM脉冲占空比就小，瞬时扰动量小时，PWM脉冲信号的占空比就大；该PWM占空比是由脉冲的后沿调制体现的；由电流放大器CA输出信号与电压误差放大器EA输出信号接到PWM比较器的输入端，由此将峰值电流信号与变换器输出电压误差信号相比较，输出后沿调制的PWM信号，将PWM信号比较器输出接到锁存器并与时钟信号配合后送入T触发器，以此将后沿调制的信号作分频处理，形成双路，输出的开关信号，此开关信号送入功率驱动级后输出。
附图2所示中的C区，其作用是将后沿调制的PWM脉冲与D区中的振荡器中CT电容上的充放电信号作叠加，以此得到将后沿调制信息转变为CT放电时间调节量，从而得到以不同占空比为依据的不同频率时钟振荡信号，将开关信号与振荡器信号起始端信号同步，并且将控制器输出后沿调制的不同占空比信号转化为锯齿波信号，将该锯齿波信号与振荡器中的CT电容信号相叠加，以便将后沿调制信号的后沿作为CT电容放电时刻，完成了信号的同步与波形变换，也完成了信号叠加，最终得到以频率方式表征谐振回路瞬时扰动量的大小；瞬时扰动量小时，时钟振荡器输出的脉冲频率就低，反之就高，并且，瞬时扰动量的测量与时钟脉冲频率的改变(补偿)均在二个相邻的开关周期内完成的。由时钟同步信号SYNC和U2A构成的电子开关同积分电容C11与比较器U2B、Q2和Q1接线方式，完成了对后沿调制的PWM波形的整形，从而得到了后沿调制锯齿波信号，并将锯齿波信号送入D区中振荡器充放电电容回路，由此形成了由后沿调制的PWM信号转化为振荡器振荡频率调制的信号。由于后沿调制的PWM信号中的后沿调制量来自于谐振回路中峰值电流的斜率变化量，而锯齿波形的峰值电流斜率表征谐振回路瞬时扰动量的变化量情况，于是就完成了用变频的PWM信号表征了谐振回路中瞬时扰动量的大小，并以此在相邻的开关周期中完成补偿。
附图2所示中的E区为半桥式开关接线方式，配合以A区部分构成谐振半桥式功率变换器回路。U2A、U2B、U2C为LM339。
如附图3所示，带有后沿调制的PWM双路输出的开关信号占空比表征了瞬时扰动量的矢量值，也就是瞬时扰动量大时，PWM脉冲占空比就小，瞬时扰动量小时，PWM脉冲信号的占空比就大；该PWM占空比是由脉冲的后沿调制体现的；脉冲形成如图3所示。
Claims (6)
1、一种带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器，在功率变换器上有电压检测的负反馈，其特征是在功率变换器上有瞬时扰动量检测电路及扰动补偿构成的前馈补偿控制电路。
2、根据权利要求1所述的带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器，其特征是瞬时扰动量检测电路是二极管与积分电容和比较器构成，将比较器输出的单开关周期的开关信号送入积分电容回路上。
3、根据权利要求1所述的带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器，其特征是前馈补偿控制电路由电子开关和积分电容与比较器构成，对后沿调制的PWM波形同步整形，形成锯齿波并送入时钟振荡器充放电电容回路中与充放电电容相叠加。
4、根据权利要求1所述的带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器，其特征是功率变换器由功率开关与驱动电路，前馈补偿控制电路和波形叠加电路，瞬时扰动量检测电路，峰值电流检测电路，后沿调制的PWM信号生成电路构成，功率变换器回路通过整流、滤波、变压器输出，前馈补偿控制电路和波形叠加电路对后沿调制的PWM波形同步整形，得到了后沿调制锯齿波信号，将锯齿波信号送入时钟振荡器充放电电容回路中与充放电电容相叠加，峰值电流检测电路由电流放大器构成，瞬时扰动量检测电路将PWM信号比较器输出接到锁存器并与时钟信号配合，将后沿调制的信号作分频处理，输出的开关信号送入功率驱动级后输出。
5、根据权利要求4所述的带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器，其特征是前馈补偿控制电路和波形叠加电路由电子开关和积分电容与比较器构成，对后沿调制的PWM波形同步整形，得到了后沿调制锯齿波信号，将锯齿波送入时钟振荡器充放电电容回路中与充放电电容相叠加。
6、根据权利要求4所述的带有前馈补偿控制功能的谐振半桥功率变换器，其特征是瞬时扰动量检测电路由CT1耦合取得谐振回路电流，整流及滤波形成平均电流，将平均电流送入电容上积分；将双路输出的带后沿调制的PWM脉冲送入倍频后送入比较器构成一电子开关回路，将U2C输出的单开关周期的开关信号送入积分电容回路上，将谐振电流的单开关周期积分值送入电流放大器中，由电流放大器输出信号与电压误差放大器输出信号接到PWM比较器的输入端，将峰值电流信号与变换器输出电压误差信号相比较，输出后沿调制的PWM信号，将PWM信号比较器输出接到锁存器并与时钟信号配合后送入T触发器，将后沿调制的信号作分频处理，形成双路，输出的开关信号，开关信号送入功率驱动级后输出，由时钟同步信号和U2A构成的电子开关同积分电容C11与比较器U2B、Q2和Q1接线，对后沿调制的PWM波形的整形，得到后沿调制锯齿波信号，将锯齿波信号送入振荡器充放电电容回路相叠加，形成后沿调制的PWM信号转化为振荡器振荡频率调制的信号。
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