CN103138588A - 使用数字控制的dc/dc转换器及其效率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用数字控制的DC/DC转换器及其效率优化方法，DC/DC转换器包括功率级电路以及控制单元两部分，功率级电路的初级包括由四组开关场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥逆变电路，全桥逆变电路的输入端与直流高压相连接且输出端与高频变压器的初级绕组相接，高频变压器的次级绕组输出经整流滤波后与直流低压输出连接，次级采用由两个场效应管Q5、Q6组成的同步整流器降低次级的导通损耗，控制单元的高精度脉宽调制（HRPWM）输出经驱动电路后接入所述的场效应管Q1~Q6的栅极。本发明实现了DC/DC转换器的数字控制，同时自适应的同步整流器对死区时间实现优化进而达到更高的转换效率。

Description

使用数字控制的DC/DC转换器及其效率优化方法

技术领域

本发明涉及一种使用数字控制的DC/DC转换器及其效率优化方法。

背景技术

作为混合动力、纯电动汽车关键能量转换部件之一，DC/DC转换器的功能是将车载高压电池组的电压转换为14V电源以供应常规低压车载设备（单向降压模式），或同时附带14V升压助推能力（双向模式）。DC/DC转换器具有多种实现方式,如丰田汽车公司的凯美瑞混合动力车早期所采用的升压加半桥的两级转换电路，及更普遍的全桥移相零电压开关电路实现。

从控制方式方面，这些DC/DC转换器均采用模拟控制，其核心控制功能，如误差放大器、斜坡发生器、脉宽调制器（PWM）及过压过流保护、软启动等均由专门的开关电源控制集成电路完成。经过几十年的发展，采用模拟控制的顶级规范DC/DC转换器性能已经基本到达其顶峰。使用熟悉的传统模拟控制驱动设计仅允许在转换效率和功率密度指标方面做非常小的改进。

发明内容

本发明目的在于提供一种使用数字控制的DC/DC转换器及其效率优化方法，其实现了DC/DC转换器的数字控制，同时自适应的同步整流器对死区时间实现优化进而达到更高的转换效率。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种使用数字控制的DC/DC转换器，包括功率级电路以及控制单元两部分，功率级电路的初级包括由四组开关场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥逆变电路，全桥逆变电路的输入端与直流高压相连接且输出端与高频变压器的初级绕组相接，高频变压器的次级绕组输出经整流滤波后与直流低压输出连接，次级采用由两个场效应管Q5、Q6组成的同步整流器降低次级的导通损耗，控制单元的高精度脉宽调制（HRPWM）输出经驱动电路后接入所述的场效应管Q1～Q6的栅极。

对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案。

作为优化，在功率级电路的初级中设有电流变压器，用于向控制单元提供所需的电流信号。

作为优化，全桥逆变电路的输出端还设有换流电感，换流电感同高频变压器的初级绕组串联，再与源边桥臂的寄生电容形成谐振电路实现ZVS操作。

作为优化，控制单元包括微处理器、数据存储器、模数转换器（ADC）、高精度脉宽调制器（HRPWM）、控制律协处理器（CLA），

DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号经缓冲电路同模数转换器相接；

高精度脉宽调制器负责产生功率级开关器件Q1～Q6的栅极控制信号，

栅极控制信号的控制量包括精确的周期、相移和死区时间；

控制律协处理器用于对电流进行快速调节，微处理器用于实现低速的输出电压控制及系统监测功；

微处理器与控制律协处理器之间的通信协调通过数据存储器的共享区域完成。

作为优化，控制单元中还设有模拟比较器，DC/DC转换器中的模拟信号送入到模拟比较器，模拟比较器比较电压、电流、温度信号判断是否存在过压、过流和超温，并且根据判定结果通过高精度脉宽调制器实现对DC/DC转换器的功率级电路的控制，用于实现快速系统保护避免损坏DC/DC转换器硬件。

作为优化，DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号包括输入电压、输出电压、电流以及温度信号。

本发明还提供了一种使用数字控制的DC/DC转换器的效率优化方法，所述方法用于搜索最佳的延迟时间t_d1和t_d2，t_d1以Q₂控制PWM的下降沿为参考，t_d2以Q₄控制PWM的下降沿为参考，使转换器的稳态占空比最小，DC/DC转换器的控制单元的多路PWM共享同一时间基准，具体优化流程（以搜索t_d1为例描述）如下：

步骤1、开始将t_d1设定为一充分小的时间值以保证DC/DC转换器安全运行，保存此值作为最优值；

步骤2、等待系统达到稳态，控制器保存相应的稳态占空比；

步骤3、控制器按步长Δt_d1递增死区时间t_d1；

步骤4、算法待系统达到新的稳态，控制器获取t_d1增加后的占空比并与第3步的占空比进行比较；

步骤5、如果新的稳态占空比小于或等于保存的占空比值，算法以新占空比值覆盖旧值后返回步骤3，重复步骤3～5；

步骤6、新的稳态占空比大于保存的占空比值，算法设定递增前的t_d1为最优值并结束t_d1搜索；

步骤7、从可行的充分大的时间值递减搜索t_d2；

步骤8、结束。

所述效率优化方法的执行由触发机制引起，可能的触发机制含系统上电复位、一定的转换器操作条件的变化（如输入电压、负载电流、温度变化和其它瞬态事件）。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

1.在不牺牲任何电气性能，包括调节精度、瞬态响应、输出噪声水平条件下，转换效率至少等于最优的可用模拟解决方案；

2.更高的集成度和更丰富的工作特性、灵活性；

3.转换器的快速反馈控制回路和系统控制功能由同一微控制器完成，直接降低器件数量成本、电路板空间成本；

4.更易于实现轻负载条件下的突发模式（Burst Mode）操作，进而提高转换器在轻负载条件下的转换效率；

5.允许多组控制参数设置、通过实时参数调度在宽范围内改善转换器瞬态响应特性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例的功率级电路的结构示意图；

图2为本发明实施例的控制单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中的数字式反馈控制环路工作示意图；

图4为本发明实施例中的数字式移相脉宽调制（PWM）输出波形图；

图5为本发明实施例中的次级同步整流器死区时间设置示意图；

图6为本发明实施例中实现效率优化的系统流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例：

本实施例描述了一种使用数字控制的DC/DC转换器，包括功率级电路以及控制单元两部分，如图1所示的功率级电路的初级包括由四组开关场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥逆变电路，全桥逆变电路的输入端与直流高压1相连接且输出端与高频变压器2的初级绕组相接，高频变压器2的次级绕组输出经整流滤波后与直流低压输出5连接，次级采用由两个场效应管Q5、Q6组成的同步整流器降低次级的导通损耗，控制单元的高精度脉宽调制（HRPWM）输出经驱动电路后接入所述的场效应管Q1～Q6的栅极。

在功率级电路的初级中设有电流变压器3，用于向控制单元提供所需的电流信号。全桥逆变电路的输出端还设有换流电感，换流电感同高频变压器2的初级绕组串联，再与源边桥臂的寄生电容形成谐振电路实现ZVS操作。

如图2所示的控制单元包括微处理器、数据存储器、模数转换器（ADC）、高精度脉宽调制器（HRPWM）、控制律协处理器（CLA）10，

DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号经缓冲电路同模数转换器相接；

高精度脉宽调制器负责产生功率级开关器件Q1～Q6的栅极控制信号，

栅极控制信号的控制量包括精确的周期、相移和死区时间；

控制律协处理器用于对电流进行快速调节，微处理器用于实现低速的输出电压控制及系统监测功；

微处理器与控制律协处理器之间的通信协调通过数据存储器的共享区域完成。

控制单元中还设有模拟比较器，DC/DC转换器中的模拟信号送入到模拟比较器，模拟比较器比较电压、电流、温度信号判断是否存在过压、过流和超温，并且根据判定结果通过高精度脉宽调制器实现对DC/DC转换器的功率级电路的控制，用于实现快速系统保护避免损坏DC/DC转换器硬件。

DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号包括输入电压、输出电压、电流以及温度信号。

DC/DC转换器控制环路的工作流程如图3所示，具体如下：

在DC/DC转换器每一开关周期，输出电压首先经过取样后由12位的模数转换器（ADC）转变为数字信号，该信号同电压设定值相减得到输出电压误差项e_v(t)；此误差项再经过与PID等效的数字环路滤波器，从误差输入至滤波器输出的时域关系可描述为：

$\mathrm{PID}\left(e_v\left(t\right)\right)=k_p{e}_v\left(t\right)+k_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{e}_v\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+k_d\frac{{\mathrm{de}}_v\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$    （式1）

该环路的动态响应特性由三项控制参数，比例k_p、积分k_i和微分k_d的选择决定。

PID数字滤波器输出再被转换为对应的相移，由控制律协处理器以时钟数的形式编程至HRPWM，进而控制功率开关Q₁-Q₆的导通和关断，补偿调节由于扰动所导致的输出电压变化。有别于传统的模拟控制，数字式控制的一项特别优势是能够在DC/DC转换器正常工作中调节内部的控制参数；根据DC/DC转换器的工作点区域，控制单元可预置多组不同的最优PID参数值，然后以线电压、负载和温度等条件选择最合适的参数，实现转换器全范围内动态响应特性的优化。数字式控制器也对转换器的操作频率进行即时调节，以脉冲频率调制（PFM）、突发模式、或不连续工作模式（DCM）的方式提升转换器在较轻负载情况下的转换效率。

图4为转换器功率开关Q₁-Q₆的栅极控制波形、既其导通/关断状态的相对定时关系。在此全桥逆变电路中，Q₁-Q₄中各开关的信号为正偏略小于180°，而反偏略大于180°；这个反偏和正偏的时间差别来源于：对于同一桥臂的两个MOSFETs，Q₁与Q₂或Q₃与Q₄，在一MOSFET关断后需要插入一定的延迟时间，等待互补的MOSFET进入零电压开关（ZVS）时域才加正向偏置，因而导致Q₁-Q₄MOSFET的正偏时间小于反偏时间。在连续工作模式条件下，移相全桥逆变电路的输出电压是通过调节两桥臂的相位，从而调节输出电压脉冲宽度的方式获得。以图4的波形为例，这里Q₃的相位比Q₁的相位落后θ，0°<θ<180°。定义相移Φ=θ/180°，如果忽略电感4的换流时间，输出电压值可以用下式近似

V_o=ΦnV_in  （式2）

其中n为变压器3的次级与初级的匝数比；Φ与θ呈线性关系，通过改变θ的大小能够达到改变转换器的电压变比。考虑到桥臂的寄生电容和换流电感的影响，更精确的转换器电压变比由下列公式给出

$M=\frac{V_o}{{\mathrm{nV}}_{\mathrm{in}}}=\mathrm{\&Phi;}+{\mathrm{FP}}_{\mathrm{ZVT}}\left(J\right)$    （式3）

$P_{\mathrm{ZVT}}\left(J\right)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}[\frac{1}{J}-{2\tan }^{-1}\left(\frac{1}{\sqrt{J^2-1}}\right)-2(J+\sqrt{J^2-1})]$    （式4）

$F=\frac{f_s}{f_o}$   （式5）

$f_o=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{L_c{C}_{\mathrm{leg}}}}$   （式6）

$J=\frac{\mathrm{nI}}{V_{\mathrm{in}}}\sqrt{\frac{L_c}{C_{\mathrm{leg}}}}$   （式7）

上式中I为转换器电流输出、L_c为电感4的电感值、C_leg为各桥臂的总寄生电容等效值、f_s为转换器的开关频率。J>1为满足ZVS的必要条件。这里P_ZVT(J)的取值总为负值，因此换流电感的作用在一方面降低了转换器的电压变比，但另一方面使Q1-Q4工作于零电压开关（ZVS）模式，从而有效地降低转换器的开关损耗，其降低开关损耗的优点在高频转换器中尤为明显。所述转换器的另一个设计考虑在转换器输入输出特性允许条件下使Φ的取值尽可能高，进而降低转换器功率级的导通损耗。

由于更低的导通损耗，同步整流器被普遍用于几乎所有的低压直流开关电源。同步整流器的最佳利用取决于换向死区的调整能力。死区时间过长会由于MOSFET体二极管导通和反向恢复而导致额外的损耗；死区时间太短则会导致变压器的次级短暂短路而对转换器的效率产生更为不利的影响。由于电路参数容差，温度和工作点的变化，简单的固定死区时间设计会严重地损害转换器的效率指标。基于以上考虑，本实施还描述了一个自适应的死区时间调节方法（效率优化方法）使DC/DC转换器的稳态工作占空比最小、同时转换效率最高。

在Q₁和Q₄处于同时正向偏置期间，根据图1的变压器极性选择，变压器绕组的首端(图中以极性圆点表示)电压为正值，Q₅应处于关断状态而不致引起次级短路。由于从控制器输出至Q₅实际关断过程中存在各种电路延迟，而且初级开关的控制延迟与同步整流器控制延迟也不可能完全匹配，最简单且常用的处理方式是在转换器设计中以引入死区时间，确保在Q₁与Q₄同时正偏前完成Q₅关断动作。在死区时间内，Q₅沟道所承担的电流改变为由Q₅体二极管承担，其结果为导通损耗的增加。基于相同的避免次级短路的要求，在Q₁与Q₄正偏结束后和驱动Q₅进入导通状态之间，需引入另一延迟时间，在该时段内，Q₅电流也由其体二极管承担但伴随较大的导通损耗。从上述说明，最佳的死区时间选择应确保不出现次级短路但Q₅体二极管导通的时间最短。Q₆的死区时间选择与Q₅相同。

基于上述考虑，本实施例描述了一种与上述使用数字控制的DC/DC转换器相配的效率优化方法，所述方法用于搜索最佳的延迟时间t_d1和t_d2，t_d1以Q₂控制PWM的下降沿为参考，t_d2以Q₄控制PWM的下降沿为参考，使转换器的稳态占空比最小，DC/DC转换器的控制单元的多路PWM共享同一时间基准，具体优化流程（以搜索t_d1为例描述）如下：

步骤1、开始将t_d1设定为一充分小的时间值以保证DC/DC转换器安全运行，保存此值作为最优值；

步骤2、等待系统达到稳态，控制器保存相应的稳态占空比；

步骤3、控制器按步长Δt_d1递增死区时间t_d1；

步骤4、算法待系统达到新的稳态，控制器获取t_d1增加后的占空比并与第3步的占空比进行比较；

步骤5、如果新的稳态占空比小于或等于保存的占空比值，算法以新占空比值覆盖旧值后返回步骤3，重复步骤3～5；

步骤6、新的稳态占空比大于保存的占空比值，算法设定递增前的t_d1为最优值并结束t_d1搜索；

步骤7、从可行的充分大的时间值递减搜索t_d2；

步骤8、结束。

所述效率优化方法的执行由触发机制引起，可能的触发机制含系统上电复位、一定的转换器操作条件的变化（如输入电压、负载电流、温度变化和其它瞬态事件）。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种使用数字控制的DC/DC转换器，包括功率级电路以及控制单元两部分，其特征在于，功率级电路的初级包括由四组开关场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥逆变电路，全桥逆变电路的输入端与直流高压相连接且输出端与高频变压器的初级绕组相接，高频变压器的次级绕组输出经整流滤波后与直流低压输出连接，次级采用由两个场效应管Q5、Q6组成的同步整流器降低次级的导通损耗，控制单元的高精度脉宽调制（HRPWM）输出经驱动电路后接入所述的场效应管Q1~Q6的栅极。

2.根据权利要求1所述的使用数字控制的DC/DC转换器，其特征在于，在功率级电路的初级中设有电流变压器，用于向控制单元提供所需的电流信号。

3.根据权利要求1所述的使用数字控制的DC/DC转换器，其特征在于，全桥逆变电路的输出端还设有换流电感，换流电感同高频变压器的初级绕组串联，再与源边桥臂的寄生电容形成谐振电路实现ZVS操作。

4.根据权利要求1所述的使用数字控制的DC/DC转换器，其特征在于，控制单元包括微处理器、数据存储器、模数转换器（ADC）、高精度脉宽调制器（HRPWM）、控制律协处理器（CLA），

DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号经缓冲电路同模数转换器相接；

高精度脉宽调制器负责产生功率级开关器件Q1~Q6的栅极控制信号，栅极控制信号的控制量包括精确的周期、相移和死区时间；

控制律协处理器用于对电流进行快速调节，微处理器用于实现低速的输出电压控制及系统监测功；

微处理器与控制律协处理器之间的通信协调通过数据存储器的共享区域完成。

5.根据权利要求4所述的使用数字控制的DC/DC转换器，其特征在于，控制单元中还设有模拟比较器，DC/DC转换器中的模拟信号送入到模拟比较器，模拟比较器比较电压、电流、温度信号判断是否存在过压、过流和超温，并且根据判定结果通过高精度脉宽调制器实现对DC/DC转换器的功率级电路的控制，用于实现快速系统保护避免损坏DC/DC转换器硬件。

6.根据权利要求4所述的使用数字控制的DC/DC转换器，其特征在于，DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号包括输入电压、输出电压、电流以及温度信号。

7.一种使用数字控制的DC/DC转换器的效率优化方法，其特征在于，所述方法用于搜索最佳的延迟时间t_d1和t_d2，t_d1以Q₂控制PWM的下降沿为参考，t_d2以Q₄控制PWM的下降沿为参考，使转换器的稳态占空比最小，DC/DC转换器的控制单元的多路PWM共享同一时间基准，具体优化流程（以搜索t_d1为例描述）如下：

步骤1、开始将t_d1设定为一充分小的时间值以保证DC/DC转换器安全运行，保存此值作为最优值；

步骤2、等待系统达到稳态，控制器保存相应的稳态占空比；

步骤3、控制器按步长Δt_d1递增死区时间t_d1；

步骤4、算法待系统达到新的稳态，控制器获取t_d1增加后的占空比并与第3步的占空比进行比较；

步骤5、如果新的稳态占空比小于或等于保存的占空比值，算法以新占空比值覆盖旧值后返回步骤3，重复步骤3~5；

步骤6、新的稳态占空比大于保存的占空比值，算法设定递增前的t_d1为最优值并结束t_d1搜索；

步骤7、从可行的充分大的时间值递减搜索t_d2；

步骤8、结束。

8.根据权利要求1所述的使用数字控制的DC/DC转换器的效率优化方法，其特征在于，所述效率优化方法的执行由触发机制引起，可能的触发机制含系统上电复位、一定的转换器操作条件的变化（如输入电压、负载电流、温度变化和其它瞬态事件）。

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