CN103296883B - 一种宽输入电压宽负载范围直直变换器控制方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽输入电压宽负载范围直直变换器控制方法及其装置。将传统二次型Boost变换器二极管D2替换为开关管Sf，导通时，利用开关管Sf体二极管Dif，为电感L1提供充电回路，同时开关管Sa为电感L2提供充电回路；关断时，电感L1向电容C1放电，电感L2向负载放电，当电流值iL2小于参考值Iref，开关管Sf导通，开关管Sf和二极管D1为电感L2提供续流回路，电流iL2进行续流，直至当前开关周期结束。与传统二次型Boost变换器两电感均工作于连续模式时相比，本发明升压比更高，输入电压范围更宽，负载动态响应速度加快，控制器设计难度降低，且具有带载能力明显加强，输出电压纹波变小的优点。

Description

一种宽输入电压宽负载范围直直变换器控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及电力控制设备，尤其是宽负载范围、宽输入范围和快速动态响应速度的设备。
背景技术
近年来，电力电子技术迅速发展，作为电力电子领域重要组成部分的电源技术逐渐成为应用和研究的热点。开关电源以其效率高、功率密度高而确立了其在电源领域中的主流地位。
开关电源直直变换器主要由主电路和控制器两部分构成。主电路用于电能转换，一般由开关装置和整流滤波电路等组成，电路结构有Buck、Boost、反激、全桥等等。控制器用于检测变换器电路的工作状态，并产生控制脉冲信号控制变换器中的开关装置，调节传递给负载的电量以稳定输出。开关电源拓扑中根据电感电流连续与否将变换器工作模式分为电感电流连续模式和电感电流断续模式，他们存在各自的优缺点。电感电流连续模式的开关电源变换器带载能力强，峰值电流小，但是动态响应速度慢；电感电流断续模式的开关电源变换器峰值电流大，带载能力弱，但是动态响应速度快。
随着新能源技术的发展，开关电源中宽输入电压范围的直直变换器得到了广泛关注。为了提高新能源领域开关电源的带载能力，降低峰值电流，同时提高变换器动态响应速度，降低控制器设计难度，具有快速动态响应速度的宽输入电压、宽负载范围的变换器得到研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽输入电压宽负载范围直直变换器控制装置，与传统二次型Boost变换器两电感均工作于连续模式时相比，升压比更高，输入电压范围更宽，负载动态响应速度加快，控制器设计难度降低；传统二次型Boost变换器电感L1工作于连续模式、电感L2工作于断续模式时，动态响应速度加快，本发明专利与之相比，也具有同样优异的动态响应速度，同时带载能力明显加强，输出电压纹波变小。
本发明实现其发明目的，其具体作法是：
一种宽输入电压宽负载范围直直变换器，由主电路和附属驱动电路组成，主电路中：电感L1、二极管D1、电感L2、二极管D3、由R1及R2组成的输出电压采样网络依次串联；电容C1并联在二极管D1负端与输入电源负极之间；第一开关管Sa并联在二极管D3负端与输入电源负极之间；电容C1、负载电阻R分别并联在二极管D3负端与输入电源负极之间；第二开关管Sf，；跨接在二极管D1正端与二极管D3的负端之间;开关管Sa导通时，通过二极管D2，为电感L1提供充电回路，同时开关管Sa为电感L2提供充电回路；开关管Sa关断时，电感L1通过二极管D1向电容C1放电，电感L2通过二极管D3向负载放电，直至当前开关周期结束。
本发明的目的还在于，提供一种宽输入电压宽负载范围直直变换器的控制方法，其具体做法是：
主电路拓扑中电感L1工作于电感电流连续模式，采用单电压环控制，由R1和R2组成的输出电压采样网络对输出电压vo(t)采样后输入运算放大器EA的负端，运算放大器EA的正端输入参考电压信号Vref，经过补偿网络后运算放大器EA输出补偿控制信号Vcomp;把锯齿波发生器SW输出的锯齿波信号Vsw和补偿控制信号Vcomp分别输入比较器CP1的正端和负端，比较器CP1的输出信号U1经驱动电路DV1放大后输出给开关管Sa。比较器CP2对电流iL2进行检测，当电流iL2小于参考值Iref时，比较器CP2的输出信号U2翻转，经驱动电路DV2放大后输出给开关管Sf，电流iL2开始续流。
由于电流iL2不工作于断续模式，但又具有断续模式时电流的波形趋势，因此本发明具有电感电流连续模式带载能力强的特性，同时具有电感电流断续模式动态响应快的特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、与传统二次型Boost变换器两电感均工作于连续模式时相比，采用本发明的一种宽输入电压宽负载范围直直变换器控制方法及其装置，升压比更高，输入电压范围更宽，负载动态响应速度加快，控制器设计难度降低；2、传统二次型Boost变换器电感L1工作于连续模式、电感L2工作于断续模式时，动态响应速度快，本发明一种宽输入电压宽负载范围直直变换器控制方法及其装置与之相比，也具有同样优异的动态响应速度，同时带载能力明显加强，输出电压纹波变小。
附图说明
图1为传统二次型Boost变换器系统结构框图。
图2为本发明实施例一系统结构框图。
图3为传统二次型Boost变换器L1、L2均工作于连续模式的PSIM仿真系统结构框图。
图4为传统二次型Boost变换器L1工作于连续模式、L2工作于断续模式的PSIM仿真系统结构框图。
图5为本发明实施例一的PSIM仿真系统结构框图。
图6为传统二次型Boost变换器L1、L2均工作于连续模式与本发明实施例一主要波形对比图。
图7为传统二次型Boost变换器L1工作于连续模式、L2工作于断续模式与本发明实施例一主要波形对比图。
图8为本发明实施例一电流续流波形图。
图9为本发明实施例二的电路结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实例并结合附图对本发明做进一步详细的描述。
实施例一
图1为传统二次型Boost变换器系统结构框图，图3为传统二次型Boost变换器L1、L2均工作于连续模式的PSIM仿真系统结构框图。图4为传统二次型Boost变换器L1工作于连续模式、L2工作于断续模式的PSIM仿真系统结构框图。
图2为本发明实施例一的结构框图，图5为图2所示电路在PSIM仿真软件下的系统结构框图。图2示出，本发明的一种具体实施方式为，一种宽输入电压宽负载范围直直变换器控制方法及其装置，其具体作法是：
将传统二次型Boost变换器二极管D2替换为开关管Sf，开关管Sa导通时，利用开关管Sf体二极管Dif，为电感L1提供充电回路，同时开关管Sa为电感L2提供充电回路；开关管Sa关断时，电感L1向电容C1放电，电感L2向负载放电，当电流值iL2小于参考值Iref，开关管Sf导通，开关管Sf和二极管D1为电感L2提供续流回路，电流iL2进行续流，直至当前开关周期结束。主电路拓扑中电感L1工作于电感电流连续模式，采用单电压环控制，由R1和R2组成的输出电压采样网络对输出电压vo(t)采样后输入运算放大器EA的负端，运算放大器EA的正端输入参考电压信号Vref，经过补偿网络后运算放大器EA输出补偿控制信号Vcomp。把锯齿波发生器SW输出的锯齿波信号Vsw和补偿控制信号Vcomp分别输入比较器CP1的正端和负端，比较器CP1的输出信号U1经驱动电路DV1放大后输出给开关管Sa。比较器CP2对电流iL2进行检测，当电流iL2小于参考值Iref时，比较器CP2的输出信号U2翻转，经驱动电路DV2放大后输出给开关管Sf，电流iL2开始续流。由于电流iL2不工作于断续模式，但又具有断续模式时电流的波形趋势，因此本发明具有电感电流连续模式带载能力强的特性，同时具有电感电流断续模式动态响应快的特性。
利用PSIM仿真软件分别对传统二次型Boost变换器和本发明实施例一进行时域仿真，仿真结果波形如下：
图6为传统二次型Boost变换器L1、L2均工作于连续模式与本发明实施例一主要波形对比图。输入电压Vg为5V，输出电压Vo为20V，加载时负载由5W跳到10W，减载时负载由10W跳到5W。传统二次型Boost变换器L1、L2均工作于连续模式。负载加载时，输出电压超调量为600mV，跌落量为850mV，调整时间为30ms；负载减载时，输出电压超调量为900mV，跌落量为300mV，调整时间为30ms。本发明实施例一负载加载时，输出电压超调量为0mV，跌落量为500mV，调整时间为4ms；负载减载时，输出电压超调量为750mV，跌落量为0mV，调整时间为4ms。本发明实施例一动态特性得到明显改善。并且由于本发明实施例一电感L2进入续流阶段，与L1、L2均工作于连续模式时的传统二次型Boost变换器相比，少了一个右半平面零点，控制器设计难度降低，同时电压传输比升高，输入电压范围变宽。
图7为传统二次型Boost变换器L1工作于连续模式、L2工作于断续模式与本发明实施例一主要波形对比图。输入电压Vg为5V，输出电压Vo为20V。传统二次型Boost变换器L1工作于连续模式、L2工作于断续模式，加载时，负载由5W跳到10W，二次型Boost变换器具有优异的动态响应速度，调整时间为4ms，跌落量为500mV；减载时，负载由10W跳到5W，调整时间为4ms，超调量为750mV。传统二次型Boost变换器由于L2工作于断续模式，因此带载能力差。本发明实施例一的输出电压超调量、跌落量和动态响应调整时间与L1工作于连续模式、L2工作于断续模式的二次型Boost变换器基本相同。但是本发明实施例一由于电感电流iL2在Iref点进行续流，因此带载能力明显加强，解决了断续模式时变换器带载能力差、峰值电流高的缺陷。并且输出电压纹波减小。
图8为本发明实施例一电流续流波形图，输入电压Vg为5V，输出电压Vo为20V，功率为5W。通过图8可以看出，电感L2在Iref出进行续流，因此电感L2的电流峰值减小，带载能力增强。
实施例二
图9示出，本例与实施例一相比，不同之处是：对负载功率进行采样，然后将采样功率与电压VC1相除，得到的值乘以系数K，作为电感L2电流的续流参考值。同样能通过仿真结果证明，它能实现本发明宽输入电压范围和宽负载范围的特性。
本发明方法除可用于以上实施例中的一种宽输入电压宽负载范围直直变换器控制方法及其装置组成的开关电源外，续流方法也可采用变续流参考值的控制方法，仍对电感L2进行续流。可以实现宽输入电压范围和宽负载范围的特性。

Claims (1)

1.一种宽输入电压宽负载范围直直变换器，由主电路和附属驱动电路组成，其特征在于,主电路中：电感L1、二极管D1、电感L2、二极管D3、由R1及R2组成的输出电压采样网络依次串联；电容C1并联在二极管D1负端与输入电源负极之间；第一开关管Sa并联在二极管D3正端与输入电源负极之间；电容C2、负载电阻R分别并联在二极管D3负端与输入电源负极之间；第二开关管Sf跨接在二极管D1正端与二极管D3的正端之间；开关管Sa导通时，通过二极管Dif，为电感L1提供充电回路，同时开关管Sa为电感L2提供充电回路；开关管Sa关断时，电感L1通过二极管D1向电容C1放电，电感L2通过二极管D3向负载放电，直至当前开关周期结束；主电路拓扑中电感L1工作于电感电流连续模式，采用单电压环控制，由R1和R2组成的输出电压采样网络对输出电压vo(t)采样后输入运算放大器EA的负端，运算放大器EA的正端输入参考电压信号Vref，经过补偿网络后运算放大器EA输出补偿控制信号Vcomp；把锯齿波发生器SW输出的锯齿波信号Vsw和补偿控制信号Vcomp分别输入比较器CP1的正端和负端，比较器CP1的输出信号U1经驱动电路DV1放大后输出给开关管Sa；比较器CP2对电流iL2进行检测，当电流iL2小于参考值Iref时，比较器CP2的输出信号U2翻转，经驱动电路DV2放大后输出给开关管Sf，电流iL2开始续流。
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