CN104135158A - 移相全桥dc-dc变换器的离散移相角控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制技术和装置，控制器产生两路带有死区时间且互补的信号P₁、P₂，作为超前桥臂上两个开关管的驱动脉冲信号；同时，控制器分别对两路信号P₁、P₂进行移相处理，产生两组移相角不同的信号P_3H、P_3H和P_3L、P_3L，根据开关变换器的输出状态，控制器直接在两组信号，P_3H、P_3H和P_3L、P_3L，中选用适当的信号输出，作为滞后桥臂上两个开关管的有效驱动脉冲信号，以实现对移相全桥DC-DC变换器的控制。本发明的优点是：控制环路简单可靠，无需补偿网络，瞬态响应速度快。

Description

移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制方法及其装置。

背景技术

为提高变换器的频率和功率密度，必须减少开关管的开关损耗，因此人们提出了谐振软开关技术；谐振软开关技术通过在电路中增加谐振元件，使开关管实现零电压导通或零电流关断，从而降低了开关损耗；但谐振软开关技术一般需要采用频率调制方法(Frequency Modulation,FM)进行控制，因此存在控制方式复杂、输出滤波器设计困难等缺点。

90年代，人们提出了移相全桥DC-DC变换器技术；移相全桥DC-DC变换器一方面通过改变移相角θ，实现对变换器输出电压的控制；另一方面利用电路自身的寄生参数，通过设置死区时间t_d，使开关管工作在软开关状态；移相全桥DC-DC变换器技术充分利用了主电路寄生参数，降低了功率开关管的开关损耗的同时降低了功率开关管的电压电流应力，因而获得了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制方法，该控制技术简单易行，稳定性和抗干扰能力强；由于无需误差放大器及相应的补偿网络，动态相应速度快。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制方法，由变换器和离散移相角控制器组成移相全桥DC-DC变换器的离散角移相控制系统，其工作方式包括：离散移相角控制器通过对超前臂的两个开关管的驱动信号进行移相处理，产生两组具有不同移相角的脉冲信号，并在每一个开关周期开始时刻，根据变换器的输出状态和控制规则，在两组脉冲信号中选取适当的脉冲信号作为有效驱动信号，以实现对变换器输出电压的控制；其控制脉冲选取规则为：若输出电压V_o低于参考电压V_ref，控制信号选择器选择移相角较小的一组脉冲信号作为有效驱动信号，产生较大的占空比，使输出电压升高，将该移相角记作θ_H；反之，若V_o高于V_ref，控制信号选择器选择移相角较大的一组脉冲信号作为有效驱动信号，产生较小的占空比，使输出电压降低，将该移相角记作θ_L。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、相对于现有移相全桥DC-DC变换器的PWM控制技术，采用本发明的变换器在负载突变时，由于无需补偿网络，因此具有更快的瞬态响应能力。

二、控制器直接用输出电压与基准电压相比较，无需补偿网络，简化了控制环路设计，增强了系统稳定性，提高了瞬态响应速度。

本发明的另一目的是提供实现上述移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制方法的装置。

本发明实现该发明目的所采用的技术方案是：一种实现以上移相全桥DC-DC变换器控制方法的装置，由变换器和离散移相角控制器组成，离散移相角控制器包括电压采样与比较电路、控制脉冲产生器、移相角产生器、第一移相控制信号产生器1、第二移相控制信号产生器2、控制信号选择器和驱动电路。其结构特点是：控制脉冲产生器、移相角产生器均与第一移相控制信号产生器1、第二移相控制信号产生器2相连；电压采样与比较电路、第一移相控制信号产生器1、第二移相控制信号产生器2均与控制信号选择器相连；控制脉冲产生器、控制信号选择器均与驱动电路相连。

该装置的工作过程和原理是：所述的控制脉冲产生器输出两路带有死区时间且互补的脉冲信号：信号P₁、信号P₂，作为超前桥臂上两个开关管的控制信号；滞后桥臂上两个开关管的控制信号的产生方法如下：移相角产生器产生两组时间延迟信号θ_H和θ_L作为移相控制信号产生器的输入，第一移相控制信号产生器1对信号P₂进行移相处理，产生两组与信号P₂相差θ_H和θ_L的移相信号P_3H和P_3L；在一个开关周期起始时刻，当输出电压V_o低于参考电压V_ref时，控制信号选择器输出移相角为θ_H的一个移相信号P_3H作为有效驱动信号P₃；反之，当输出电压V_o高于参考电压V_ref时，控制信号选择器输出移相角为θ_L的一个移相信号P_3L作为有效驱动信号P₃；信号P₄的产生方法与上述信号P₃的产生方法类似，区别在于第二移相控制信号产生器2对信号P₁进行移相处理，产生两组与信号P₁相差θ_H和θ_L的移相信号P_4H和P_4L，并通过控制信号选择器最终产生信号P₄；其中，移相角的选取原则为：当控制器选择P_3H和P_4H作为滞后桥臂上两个开关管的控制信号时，即当控制器移相角为θ_H时，应保证变换器的输出电压升高；当控制器选择P_3L和P_4L作为滞后桥臂上两个开关管的控制信号时，即当控制器移相角为θ_L时，应保证变换器的输出电压降低。

可见，采用以上装置可以方便可靠地实现本发明以上方法。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的实现装置结构框图。

图2为本发明实施例的电路结构示意图。

图3为本发明实施例中，输出电压与各驱动信号对应关系示意图。

图4为本发明实施例在稳态条件下某一时段内的时域仿真波形图。

图5为本发明实施例的移相全桥变换器在负载突变时的时域仿真波形图。

图6为本发明实施例的移相全桥变换器在输入电压突变时的时域仿真波形图。

图4中：(a)为变换器输出电压和参考电压波形；(b)为控制器输出的驱动信号P₁、P₂、P₃、P₄的波形；(c)为变换器原边AB两点间的电压波形；(d)为变换器副边MN两点间的电压波形。

图4仿真条件如下：输入电压V_in＝200V、输出基准电压V_ref＝60V、变压器变比K＝1、变压器漏感Lp＝2uH、变压器励磁电感Lm＝10uH、副边谐振电感L＝2.6mH、输出电容C＝200μF、输出电压ESR＝100Ω、负载阻值R＝100Ω、控制脉冲产生器输出两路脉冲信号的频率f＝25kHz，移相角产生器产生的两个移相角分别为θ_H＝4μs、θ_L＝15μs。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明的具体实施方式为：移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制方法及其装置，其离散移相角控制器由电压采样与比较电路、控制脉冲产生器、移相角产生器、第一移相控制信号产生器1、第二移相控制信号产生器2、控制信号选择器、驱动电路组成；控制脉冲产生器、移相角产生器均与第一移相控制信号产生器1、第二移相控制信号产生器2相连；电压采样与比较电路、第一移相控制信号产生器1、第二移相控制信号产生器2均与控制信号选择器相连；控制脉冲产生器、控制信号选择器均与驱动电路相连；

移相全桥DC-DC变换器的输出电压经电压采样与比较电路与参考电压相比较，其输出与控制信号选择器的输入相连，直接用于对控制脉冲的选择；所述的控制脉冲产生器输出两路带有死区时间且互补的控制信号:信号P₁、信号P₂，作为超前桥臂上两个开关管S₁和S₂的控制信号；所述的移相角产生器用于产生两组时间延迟信号θ_H和θ_L；所述的第一移相控制信号产生器1对信号P₂进行移相处理，产生开关管S₃的驱动信号P₃的脉冲控制信号P_3H和P_3L；所述的第二移相控制信号产生器2对信号P₁进行移相处理，产生开关管S₄的驱动信号P₄的控制脉冲信号P_4H和P_4L；脉冲信号P_3H、P_3L、P_4H和P_4L输入控制信号选择器，并根据控制脉冲选择规则产生有效控制信号P₃、P₄；控制信号P₁、P₂、P₃、P₄经过驱动电路分别驱动移相全桥DC-DC变换器的四个开关管S₁、S₂、S₃、S₄。

图2、图3示出了离散移相角控制技术在移相全桥DC-DC变换器中的应用；图3示出了控制脉冲产生器输出的两路信号P₁、P₂的波形V_p1、V_p2,V_p3H、V_p3L分别为由第一移相控制信号产生器1产生的控制脉冲信号P_3H、P_3L的电压波形，由图可知V_p3H和V_p3L分别与V_p2相差移相角θ_H和θ_L；V_p4H和V_p4L分别为由第二移相控制信号产生器2产生的控制脉冲信号P_4H、P_4L的电压波形，由图可知V_p4H和V_p4L分别与V_p1相差移相角θ_H和θ_L；由图3可知，在每一个时钟脉冲到来时刻，即每一个开关周期开始时刻，当采样到的输出电压小于参考电压时，选择P_3H、P_4H作为有效的滞后桥臂开关管驱动脉冲，由V_AB、V_MN的电压波形可知，此时变换器的占空比较大，输出电压上升；相反，当采样到的输出电压高于基准电压时，选择P_3L、P_4L作为有效的滞后桥臂开关管驱动脉冲，由V_AB、V_MN的电压波形可知，此时变换器的占空比较小，输出电压下降。

用PSIM软件对本例的方法进行时域仿真分析，结果如下：

图4为仿真得到的采用上述控制方法及其控制装置的变换器在额定工作状态时的工作波形；图4的横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为输出电压(V)，(b)的纵轴为开关管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动信号V_p1、V_p2、V_p3、V_p4,(c)的纵轴为变换器原边AB两点间的电压(V)，(d)的纵轴为变换器副边MN两点间的电压(V)；在图4中可以看出，离散移相角控制技术可以实现对移相全桥DC-DC变换器的输出电压的控制，变换器输出电压纹波约17mV。

图5为采用本发明的移相全桥DC-DC变换器在负载出现突变情况时的输出电压动态响应时域仿真波形图；横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为输出电压(V),(b)的纵轴为输出电流(A)。图5中，在15ms时负载由0.1A阶跃变化至1.2A，采用本发明瞬态响应速度很快，几乎没有响应时间及偏移量，系统立即进入稳态。可见采用本发明的移相全桥DC-DC变换器具有很好的负载动态特性。

图6为采用本发明的移相全桥DC-DC变换器在输入电压出现突变情况时的输出电压动态响应时域仿真波形图。横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为输出电压(V),(b)的纵轴为输入电压(V)。图6中，在15ms时输入电压由100V阶跃变化至200V，采用本发明对输入电压发生突变时的瞬态响应速度很快，几乎没有响应时间及偏移量，系统立即进入稳态。

本发明除了可用于控制上述实施例中的移相全桥DC-DC变换器外，也可用于其他移相全桥DC-DC变换器，及双向移相全桥DC-DC变换器。

Claims (5)

1.移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制方法，由变换器和离散移相角控制器组成移相全桥DC-DC变换器的离散角移相控制系统，其特征在于，离散移相角控制器通过对超前臂的两个开关管的驱动信号进行移相处理，产生两组具有不同移相角的脉冲信号，并在每一个开关周期开始时刻，根据变换器的输出状态和控制规则，在两组脉冲信号中选取适当的脉冲信号作为有效驱动信号，以实现对变换器输出电压的控制；其控制脉冲选取规则为：若输出电压V_o低于参考电压V_ref，控制信号选择器选择移相角较小的一组脉冲信号作为有效驱动信号，产生较大的占空比，使输出电压升高，将该移相角记作θ_H；反之，若V_o高于V_ref，控制信号选择器选择移相角较大的一组脉冲信号作为有效驱动信号，产生较小的占空比，使输出电压降低，将该移相角记作θ_L。

2.根据权利要求1所述的移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制方法，其特征在于，在每一个开关周期起始时刻，采样移相全桥DC-DC变换器的输出电压，并与参考电压比较：当输出电压低于参考电压时，控制信号选择器选择移相角较小的一组脉冲信号作为有效驱动信号，输出电压上升；相反，当输出电压高于参考电压时，控制信号选择器选择移相角较大的一组脉冲信号作为有效驱动信号，输出电压下降，从而实现移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制。

3.一种实现权利要求1或2所述的移相全桥DC-DC变换器的离散移相角控制方法的装置，由移相全桥DC-DC变换器和离散移相角控制器组成；所述的离散移相角控制器由电压采样与比较电路、控制脉冲产生器、移相角产生器、第一移相控制信号产生器1、第二移相控制信号产生器2、控制信号选择器和驱动电路组成；其结构特点是：控制脉冲产生器、移相角产生器均与第一移相控制信号产生器1、第二移相控制信号产生器2相连；电压采样与比较电路、第一移相控制信号产生器1、第二移相控制信号产生器2均与控制信号选择器相连；控制脉冲产生器、控制信号选择器均与驱动电路相连。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的控制脉冲产生器输出两路带有死区时间且互补的脉冲信号:信号P₁、信号P₂，作为超前桥臂上两个开关管的控制信号；第一移相控制信号产生器1、第二移相控制信号产生器2分别对信号P₁、信号P₂做移相处理，即对信号P₁移相θ_H和θ_L，产生脉冲信号P_3H、P_3L，对信号P₂移相θ_H和θ_L，产生脉冲信号P_4H、P_4L，控制信号选择器根据移相全桥DC-DC变换器的控制脉冲选择规则选择P_3H和P_4H或P_3L和P_4L作为滞后桥臂上两个开关管的控制信号。

5.根据实现权利要求3所述的装置，其移相角的选取原则为：当控制器选择P_3H和P_4H作为滞后桥臂上两个开关管的控制信号时，即当控制器移相角为θ_H时，应保证变换器的输出电压升高；当控制器选择P_3L和P_4L作为滞后桥臂上两个开关管的控制信号时，即当控制器移相角为θ_L时，应保证变换器的输出电压降低。