CN104993693A - 一种电压源跨导模式控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压源的跨导模式控制电路，包括：相互并联的N个电压控电流源子模块，N个子模块各自的输出端汇接于母线输出端，电压采样电路对母线输出电压采样，外部误差计算及传递电路接收电压采样信号并与参考电压信号比较后产生误差电压信号后输出至跨导补偿器；跨导补偿器的输出分别与N个子模块各自的电压控制信号端一一对应地连接；跨导补偿器的受控端接收各子模块的开关机状态信号；跨导补偿器根据各子模块的开关机状态信号判断处于工作状态的子模块的数量并根据该数量按比例调节该跨导补偿器的跨导增益。本发明可使得即使参与并联的电源子模块数量发生变化时，电源输出母线电压仍能够维持带宽和输出阻抗恒定。

Description

一种电压源跨导模式控制电路

技术领域

本发明电路涉及电压源跨导模式控制电路，主要应用于开关电源、线性电源及采用平均电流模式控制的其它领域。

背景技术

跨导模式(即平均电流模式)控制，因其易于并联冗余备份，抗干扰性强，单一设备、自动均流、限流等功能，广泛应用在各种采用电源子模块并联的电压源变换器中。电压源的带宽和输出阻抗是其关键性指标，由于电压源所接负载特性需求多种多样，为保证电压源的应用范围，需针对各种工况下负载的电性能指标的最大包络进行设计，重点集中在环路稳定特性和输出阻抗特性的设计。图1所示为现有电压源跨导模式控制电路的电路结构示意图。

跨导模式控制的外环为电压环，内部并联的电源子模块为压控电流源，该控制方式在获得高动态响应的同时，可自动实现各并联子模块的输出均流，参与并联的子模块可以工作在热备份或是冷备份模式，并联的子模块的数量改变输出总功率而不影响输出电压的变化。

现有的研究工作主要集中在跨导模式控制的工作原理，等效小信号模型。但对于当并联的子模块的数量变化时，电压源的环路特性及输出阻抗如何保持恒定的研究工作尚未开展。

电压源的所有参与并联工作的子模块处于热备份工作状态，因故障、开关机等原因，参与并联工作的子模块可以随时退出或者接入。子模块的数量发生变化时，电压源的环路特性、带宽及输出阻抗特性随之发生改变，对外呈现的时域电特性为动态响应会发生改变，子模块数量减少则电压源输出响应阶跃性负载的电压尖峰变大。当输出阻抗增大到一定程度时，母线响应负载电流变换斜率A/s的能力随之变小，因此该电压源对动态响应需求高的载荷已经不能继续开机使用。

在设计电压源时，一般仅会确保1-2个子模块退出并联工作情况下的阻抗指标要求。这存在如下问题：

并联的电源子模块数量减小，会引起电压源带宽降低和输出阻抗加大，而不适应某些高带宽负载特性应用场合的缺点，例如，若因故障等原因导致退出工作的子模块超出限制数，尚无应对带宽及输出阻抗下降的措施，会出现电压源能输出功率但不适应某些负载电性能需求的情况；

为保证额定的环路带宽和输出阻抗，即使母线负载较轻时，所有并联的子模块均需处于工作状态，不能根据负载需求随时调节参与并联工作的子模块数量，让并联的子模块处于最优效率点，或增加冷备份模块数量，以提高可靠性。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，本发明提出一种电压源的跨导模式控制电路，包括：相互并联的N个电压控电流源子模块，所述N个电压控电流源子模块各自的输出端汇接于用于为负载供电的母线输出端，电压采样电路连接所述母线输出端以对母线输出电压采样，外部误差计算及传递电路用于接收所述电压采样信号并与参考电压信号比较后产生误差电压信号、再以电压传递函数A(s)变换所述误差电压信号后输出至跨导补偿器；所述跨导补偿器的输出分为相同的N路，分别与所述N个电压控电流源子模块各自的电压控制信号端一一对应地连接；所述跨导补偿器的受控端连接各所述子模块的开关机状态信号端以接收各所述子模块的开关机状态信号；所述跨导补偿器用于根据各所述子模块的开关机状态信号判断处于工作状态的所述子模块的数量并根据该数量按比例调节该跨导补偿器的跨导增益。

本发明的有益效果：本发明增加了环路补偿器电路，可使得即使参与并联的电源子模块数量发生变化时，电源输出母线电压仍能够维持环路带宽和输出阻抗恒定。

附图说明

图1所示为传统的电压源跨导模式控制电路的电路结构示意图

图2所示为传统的电压源跨导模式控制电路的闭环控制框图；

图3所示为本发明实施例的电压源跨导模式控制电路的闭环控制框图(每个电压控电流源子模块向母线输出端V_bus流入电流，所以是“+”的运算；负载R_load是由母线输出端V_bus流出电流，所以是“-”的运算)；

图4所示为本发明实施例的电压源跨导模式控制电路的电路结构示意图；

图5所示为本发明实施例控制电路中的子模块的电路结构示意图(未示出与子模块开关机状态相关的电路结构)；

图6所示为图3、4中使用的跨导补偿器的电路结构示意图；

图7所示为图4、6中使用的模块数量检测电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如下图2所示，为现有的跨导模式控制的电压源的闭环控制框图，其包括：相互并联的N个电压控电流源子模块，其输出汇接于母线输出端；电压采样电路连接母线输出端以对母线输出电压采样，外部误差计算及传递电路接收电压采样信号并与参考电压值比较计算出误差电压信号、以电压传递函数A(s)变换误差电压信号后分为相同的N路，分别与N个子模块各自的电压控制信号端一一对应地连接。其中，电压采样电路和外部误差计算及传递电路可集成于主误差放大器(MEA)中。

K为母线电压采样分压比，A(s)为MEA的传递函数，I_load为电压源负载，C_bus为电压源输出电容。

图2所示结构中，各子模块均是严格一致的，因此每个子模块的压控电流源频谱也是一样的，每个子模块的压控电流源频率传递函数为G(s)，则N个子模块并联后的跨导系数是N*G(s)。

上述并联外环的环路特性和母线输出阻抗为：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_{BDR}\left(s\right)=K\·A\left(s\right)\·N\·G\left(s\right)\·\frac{1}{C_{bus}\·s}\\ Z_{out}=-\frac{V_{bus}\left(s\right)}{I_{load}\left(s\right)}=\frac{\frac{1}{C_{bus}\·s}}{1+\frac{K\·A\left(s\right)\·N\·G\left(s\right)}{C_{bus}\·s}}\≈\frac{1}{K\·A\left(s\right)\·N\·G\left(s\right)},G_{BDR}\left(s\right)>>1\end{array}\right.---\left(1\right)$

设退出工作的电源子模块数为M，则环路特性及母线输出阻抗变为：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_{BDR}\left(s\right)=K\·A\left(s\right)\·(N-M)\·G\left(s\right)\·\frac{1}{C_{bus}\·S}\\ Z_{out}\≈\frac{1}{K\·A\left(s\right)\·(N-M)\·G\left(s\right)},G_{BDR}\left(s\right)>>1\end{array}\right.---\left(2\right)$

上述电压控电流源子模块数量的变化直接反应到环路特性和输出阻抗的变化上。假定所有子模块均为理想压控电流源，则G(s)的幅频特性的幅值为单个子模块的压控电流源跨导系数，相频特性恒定为0°。M个子模块数量的变化主要体现在所有子模块内环跨导系数(N-M)*G(s)的变化。

本发明电压源的跨导模式控制电路，针对该变化关系，增加跨导补偿器，其包括模块检测电路及线性补偿环节K_b，如图3所示为基于本发明的电源跨导模式控制电路的闭环控制框图，其展示了本发明的电路设计思路，相对于现有电源跨导模式控制电路，其增加了跨导补偿电路。

增加跨导补偿器后，电压源环路特性及母线输出阻抗变为：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_{BDR}\left(s\right)=K\·A\left(s\right)\·K_b\·(N-M)\·G\left(s\right)\·\frac{1}{C_{bus}\·s}=K\·A\left(s\right)\·N\·G\left(s\right)\·\frac{1}{C_{bus}\·s}\\ Z_{out}\≈\frac{1}{K\·A\left(s\right)\·K_b\·(N-M)\·G\left(s\right)}=\frac{1}{K\·A\left(s\right)\·N\·G\left(s\right)},G_{BDR}\left(s\right)>>1\\ K_b=\frac{N}{N-M}\end{array}\right.---\left(3\right)$

如此，无论处于工作状态的电压控电流源子模块的数量是多少，总的环路特性与母线输出阻抗均恒定在N个子模块正常并联工作的状态，实现了本发明的目的。

如图4所示本发明实施例的电压源跨导模式控制电路，其包括：相互并联的N个电压控电流源子模块，N个子模块各自的输出端汇接于用于为负载供电的母线输出端，电压采样电路连接母线输出端以对母线输出电压采样，外部误差计算及传递电路用于接收电压采样信号并与参考电压信号比较计算出电压误差信号、以传递函数A(s)变换误差电压信号后输出至跨导补偿器；跨导补偿器的输出分为相同的N路，分别与N个子模块各自的电压控制信号端一一对应地连接；跨导补偿器的受控端连接N个子模块各自的开关机状态信号端以接收各子模块的开关机状态信号；跨导补偿器根据各子模块的开关机状态信号判断处于工作状态的子模块的数量并根据该数量按比例调节该跨导补偿器的跨导增益。

本实施例的控制电路还包括接于母线输出端和地之间的电容C_bus；电压采样电路包括电阻R₃和电阻R₄，电阻R₃一端接母线输出端，另一端分别接电压采样电路的输出端和电阻R₄的一端，电阻R₄的另一端接地。

如图5所示，每个并联入系统的子模块均设计成电压控制电流源形式，即子模块内部采样该子模块的输出电流，送到内环控制器以与跨导补偿器输出的控制电压进行比较计算出内环控制误差信号，再将内环控制误差信号送入比较器与PWM波进行比较，控制内环的开关管来调节输出电流。该子模块可以根据输入输出电压电流需求选用任何拓扑结构(图5中示出是一个升压Weinberg拓扑结构)，只要是采用电压控电流源的控制方式即可。

由此可看出，平均电流模式控制是一个双环控制系统，外部电压环检测输出电压，内部电流环检测每个子模块的输出电流来控制输出电流。

跨导补偿器需要实时响应处于正常工作状态的电压控电流源子模块的数量变化，并进行对应的跨导比例调节。跨导补偿器根据各子模块的开关机状态信号判断出处于工作状态的子模块的数量(N-M)，并根据该数量按比例调节该跨导补偿器的跨导增益为N/(N-M)。如图4、6所示，跨导补偿器包括模块数量检测电路和跨导调节电路；模块数量检测电路的输入端接外部误差计算及传递电路的输出端，其输出端接跨导调节电路，其受控端与跨导补偿器的受控端连接；跨导调节电路的输出端与跨导补偿器的输出端连接；模块数量检测电路根据各子模块的开关机状态信号判断出处于工作状态的子模块的数量(N-M)，跨导调节电路根据该数量调节跨导补偿器的跨导增益为N/(N-M)。

其中，跨导调节电路包括第一运算放大器和反向电路；第一运算放大器的同向输入端接地，其反向输入端与模块数量检测电路的输出端连接，其输出端接反向电路的输入端，反向电路的输出端接跨导补偿器的输出端；第一运算放大器的负反馈支路上接有阻值为N*R_s的电阻R₇，反向电路用于将第一运算放大器的输出电压反向后作为跨导补偿器的输出；模块数量检测电路检测处于工作状态的子模块的数量(N-M)并根据其调节该模块数量检测电路的阻值为(N-M)*R_s。

每个电压控电流源子模块均有一个开关机状态信号端，输出表示开关机状态的信号，即State-i(i＝1,2,…,N)，这个信号是一个高低电平(“0”,“1”)状态，该状态在设计子模块时有不同的电路实现形式。

具体的，如图7所示，模块数量检测电路包括N个开关控制单元和相互串联的N个开关电阻单元；N个开关控制单元各自的输入端与N个电压控电流源子模块各自的开关机状态信号端一一对应地连接，N个开关控制单元各自的输出端与N个开关控制单元的受控端；每个开关电阻单元包括相并联的一个开关S和一个电阻R₀，每个电阻R₀的阻值为R_s；各开关S与各开关控制单元的输出端一一对应地连接；每个开关控制单元用于当对应的子模块处于工作状态时控制对应的开关S断开、当对应的子模块退出工作状态时控制对应的开关S导通。

图3中的开关控制单元C_logic，即上述开关控制单元，如图7所示，在本实施例中其采用的是一个模拟开关，用于根据对应的电压控电流源子模块的开关机状态信号，控制对应的开关电阻单元中的开关S的通断，具体的，开关控制单元可采用芯片TS3A4751实现，开关S也可为模拟开关。

跨导补偿器的输入接外环主误差放大器的输出，通过模块数量检测电路判断正常并联工作的电压控电流源子模块的数量，实时调节V_A(s)-A之间的阻值，从而实现K_b的功能。

每路开关电阻单元中的开关S受对应电压控电流源子模块的工作状态确定，设模块数量检测电路的等效电阻为R_M。当子模块在工作时，对应的开关电阻单元中的开关S断开，该开关电阻单元在V_A(s)-A之间呈现阻值为R_s的状态。当子模块退出并联工作时，对应的开关电阻单元中的开关S接通，该开关电阻单元在V_A(s)-A之间呈现阻值近似为0(开关S的导通电阻)的状态。

如图6所示，反向电路包括第二运算放大器、接于第二运算放大器的反向输入端与第一运算放大器的输出端之间的电阻R₈、以及接于第二运算放大器的负反馈支路上的电阻R₉；第二运算放大器的同向输入端接地，电阻R₈和电阻R₉具有相同阻值。

当有M个电压控电流源子模块退出工作时，模块数量检测电路的等效电阻为：

R_M＝(N-M)*R_s   (4)

跨导补偿器的跨导增益调节关系式为：

K_b＝V_C/V_A(s)＝(V_o/V_A(s))*(V_C/V_o)＝(-R₇/R_M)*(-R₉/R₈)＝N/(N-M)   (5)

由关系式(5)可以看出，跨导补偿器的跨导增益仅与退出并联工作的电压控电流源子模块的数量有关系，且该关系式能够随退出并联的子模块的数量的变化而变化，通过K_b实时调整接入外环的跨导补偿倍数。M的变化范围为0≤M≤N。当M＝N时，所有的子模块均关机，跨导补偿器输出为运放输出限流值，当N个子模块均在工作时，M＝0，K_b＝1。

如图6所示，反向电路还包括接于电阻R₈和第二运算放大器的反向输入端之间的电阻R₁₀、自电阻R₈和电阻R₁₀之间一处引出并连接至地的电容C₄、以及自电阻R₁₀和第二运算放大器的反向输入端之间一处引出并连接至该运算放大器的输出端的电容C₅。

反向电路为阶跃信号滤波器，其实现对K_b变化时的阶跃信号反向运算以及滤波处理，防止处于工作状态的电压控电流源子模块的数量变化时加入环路的K_b信号发生振荡现象，其输出接各子模块的电压控制信号端，以连接至子模块的电压给定接口电路，从而控制该子模块的输出电流。

为实现高精度的跨导补偿，开关S的导通电阻应该远远小于R_s，阶跃信号滤波器保证对子模块数量变化的阶跃响应带宽及精度。

本实施例的外部误差计算及传递电路和电压采样电路也可采用如图1中相同的电路结构。即，外部误差计算电路包括第三运算放大器；第三运算放大器的同向输入端接电压采样电路的输出端，其反向输入端经过电阻R₁后接收参考电压信号V_ref，其输出端接外部误差计算及传递电路的输出端。外部误差计算及传递电路还包括接于第一运算放大器的负反馈支路上的电容C₁、电容C₂和电阻R₂，电容C₂和电阻R₂串联后与电容C₁并联。

上述实施例仅仅描述了控制电路的一种形式，本发明的跨导补偿器器也可以采用数字控制器(例如单片机、FPGA、CPLD等)、模拟电路和逻辑门电路等方式实现，其主要利用了跨导补偿器的工作原理：外部电压环的控制环路中，跨导补偿器跟随着并联模块数量的变化而实时变化，始终保持总的跨导系数不变。

如上所述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 (10)

1.一种电压源跨导模式控制电路，包括：相互并联的N个电压控电流源子模块，所述N个电压控电流源子模块各自的输出端汇接于用于为负载供电的母线输出端，电压采样电路连接所述母线输出端以对母线输出电压采样，外部误差计算及传递电路用于接收所述电压采样信号并与参考电压信号比较后产生误差电压信号、再以电压传递函数A(s)变换所述误差电压信号后输出至跨导补偿器；所述跨导补偿器的输出分为相同的N路，分别与所述N个电压控电流源子模块各自的电压控制信号端一一对应地连接；所述跨导补偿器的受控端连接各所述子模块的开关机状态信号端以接收各所述子模块的开关机状态信号；所述跨导补偿器用于根据各所述子模块的开关机状态信号判断处于工作状态的所述子模块的数量并根据该数量按比例调节该跨导补偿器的跨导增益。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述跨导补偿器用于根据各所述子模块的开关机状态信号判断处于工作状态的所述子模块的数量(N-M)并根据该数量按比例调节该跨导补偿器的跨导增益为N/(N-M)。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其中，所述跨导补偿器包括模块数量检测电路和跨导调节电路；所述模块数量检测电路的输入端接所述外部误差计算及传递电路的输出端，其输出端接所述跨导调节电路，其受控端与所述跨导补偿器的受控端连接；所述跨导调节电路的输出端与所述跨导补偿器的输出端连接；所述模块数量检测电路根据各所述子模块的开关机状态信号判断处于工作状态的所述子模块的数量(N-M)，所述跨导调节电路根据该数量调节所述跨导补偿器的跨导增益为N/(N-M)。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其中，所述跨导调节电路包括第一运算放大器和反向电路；所述第一运算放大器的同向输入端接地，其反向输入端与所述模块数量检测电路的输出端连接，其输出端接所述反向电路的输入端，所述反向电路的输出端接所述跨导补偿器的输出端；所述第一运算放大器的负反馈支路上接有阻值为N*R_s的电阻R₇，所述反向电路用于将所述第一运算放大器的输出电压反向后作为所述跨导补偿器的输出；所述模块数量检测电路检测处于工作状态的所述子模块的数量(N-M)并根据其调节该模块数量检测电路的阻值为(N-M)*R_s。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其中，所述模块数量检测电路包括N个开关控制单元和相互串联的N个开关电阻单元；所述N个开关控制单元各自的输入端与所述N个电压控电流源子模块各自的开关机状态信号端一一对应地连接，所述N个开关控制单元各自的输出端与所述N个所述开关控制单元的受控端；每个所述开关电阻单元包括相并联的一个开关S和一个电阻R₀，每个电阻R₀的阻值为R_s；各所述开关S与各所述开关控制单元的输出端一一对应地连接；每个所述开关控制单元用于当对应的所述子模块处于工作状态时控制对应的所述开关S断开、当对应的所述子模块退出工作状态时控制对应的所述开关S导通。

6.根据权利要求4或5所述的控制电路，其中，所述反向电路包括第二运算放大器、接于所述第二运算放大器的反向输入端与所述第一运算放大器的输出端之间的电阻R₈、以及接于所述第二运算放大器的负反馈支路上的电阻R₉；所述第二运算放大器的同向输入端接地，电阻R₈和电阻R₉具有相同阻值。

7.根据权利要求5所述的控制电路，其中，所述反向电路还包括接于所述电阻R₈和所述第二运算放大器的反向输入端之间的电阻R₁₀、自所述电阻R₈和电阻R₁₀之间一处引出并连接至地的电容C₄、以及自所述电阻R₁₀和所述第二运算放大器的反向输入端之间一处引出并连接至该运算放大器的输出端的电容C₅。

8.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述外部误差计算及传递电路包括第三运算放大器；所述第三运算放大器的同向输入端接电压采样电路的输出端，其反向输入端经过电阻R₁后接收参考电压信号，其输出端接所述外部误差计算及传递电路的输出端。

9.根据权利要求8所述的控制电路，其中，所述外部误差计算及传递电路还包括接于所述第一运算放大器的负反馈支路上的电容C₁、电容C₂和电阻R₂，电容C₂和电阻R₂串联后与所述电容C₁并联。

10.根据权利要求1、2、8或9所述的控制电路，还包括接于所述母线输出端和地之间的电容C_bus；和/或，所述电压采样电路包括电阻R₃和电阻R₄，电阻R₃一端接所述母线输出端，另一端分别接所述电压采样电路的输出端和电阻R₄的一端，电阻R₄的另一端接地。