CN105591545B

CN105591545B - 一种双管隔离型变换器及其控制方法

Info

Publication number: CN105591545B
Application number: CN201610160753.8A
Authority: CN
Inventors: 阚加荣; 吴云亚; 许志华; 姚志垒; 李小凡; 陈冲; 汤雨
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Dongtai Chengdong Science And Technology Pioneer Park Management Co ltd
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2018-06-22
Anticipated expiration: 2036-03-21
Also published as: CN105591545A

Abstract

本发明公开了一种双管隔离型变换器及其控制方法，解决了传统双管正激变换器的输出整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题，实现了开关管零电流开通，减少了磁性元件的使用，并对该类变换器提出一种新型分段优化组合控制策略。

Description

一种双管隔离型变换器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子变换器领域，具体涉及一种双管隔离型变换器及其控制方法。

背景技术

双管正激变换器适合于高输入电压和中小功率场合，电路结构简单、开关管应力低、变换效率高，尤其是没有直通隐患而具备高可靠性，在航天器等工作于空间辐照和强电磁环境下的电源供电系统等领域获得了广泛应用。但是传统双管正激类变换器存在输出整流二极管反向恢复、电压振荡等缺点，开关管为硬开关工作，开关损耗大，而且由于滤波单元采用大电感与电容结合的电路，使得变换器的体积普遍较大，占用空间大。传统双管正激变换器通过调节开关管的占空比来进行调节控制，调节方式单一，无法有针对性地进行调节以提高变换器的效率。

发明内容

发明目的：提出一种双管隔离型变换器，输出滤波电路采用电容滤波，一方面减少了磁性元件的使用，使得滤波电路的体积减小，另一方面解决了整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题，实现了开关管的零电流开通，减小开通损耗。同时提出一种新型的PWM加变频的分段优化组合控制方案，该控制方案可以结合不同的优化目标，有针对性地调节控制方式，使变换器工作更为高效。

技术方案：

本发明为解决上述技术问题，提出了一种双管隔离型变换器，包括变压器T_r(原边W₁、副边W₂)，开关管Q₁、Q₂(D₁、D₂分别为对应体二极管)，二极管D₃、D₄、D₅，缓冲电感L_r(可由变压器漏感实现)、滤波电容C_o，负载电阻R_o。所述开关管可为MOS管。

开关管Q₁源极端与二极管D₃阴极相连，并且与缓冲电感L_r的一端连接；开关管Q₂漏极端与二极管D₄阳极端相连，并且与变压器T_r原边绕组的异名端连接；开关管Q₁漏极端、二极管D₄阴极端同时连接到输入电源正极；开关管Q₂源极端、二极管D₃阳极同时连接到输入电源负极；变压器T_r原边绕组的同名端连接到缓冲电感L_r的另一端。变压器T_r副边绕组的同名端与二极管D₅阳极相连，二极管D₅阴极与滤波电容C_o的正极端、负载电阻R_o的一端连接；变压器T_r副边绕组的异名端与滤波电容C_o的负极端、负载电阻R_o的另一端连接。

双管隔离型变换器对应的控制方案为一种新型的PWM加变频的分段优化组合控制方案：第一电压传感器的输入端连接在输入电源的正极端与负极端之间，第二电压传感器的输入端连接在滤波电容C_o的正极端与负极端之间；减法器的正输入端与负输入端分别接输出电压基准值发生器的输出端信号(V_ref)与第二电压传感器的输出端信号(V_of)，减法器的输出端信号(V_e)连接到电压调节器的输入端；控制方式选择器的第一输入端与第二输入端分别接第一电压传感器的输出端信号(V_inf)与电压调节器的输出端信号(V_r)，控制方式选择器的第一输出端信号(Δf_s1)、第二输出端信号(ΔD)、第三输出端信号(Δf_s2)分别接第一加法器的第一正输入端、第二加法器的第一正输入端、第三加法器的第一正输入端；第一加法器的第二正输入端、第三加法器的第二正输入端均连接到频率基准值生成器的输出端信号(f_sref)，第二加法器的第二正输入端连接到调制比基准值生成器的输出端信号(D₀)；第一加法器的输出端信号(f_s1)、第二加法器的输出端信号(D_ref)、第三加法器的输出端信号(f_s2)分别连接到第一变频调制器的第一输入端、恒频脉宽调制器的第一输入端、第二变频调制器的第一输入端；第一变频调制器的第二输入端连接最大调制比生成器的输出端信号(D_max)，恒频脉宽调制器的第二输入端连接频率基准值生成器的输出端信号(f_sref)，第二变频调制器的第二输入端连接到最小调制比生成器的输出端信号(D_min)；或门的第一、第二、第三输入端分别连接第一变频调制器的输出端、恒频脉宽调制器的输出端、第二变频调制器的输出端；或门的输出端信号作为开关管Q₁、Q₂的驱动信号。

控制方式选择器以输入电压大小作为变换器工作模式划分依据：当第一电压传感器的输出端信号(V_inf)小于第一标准值V₁时，通过控制方式选择器选择第一加法器，降低第一加法器的输出端信号(f_s1)，同时保持最大调制比生成器的输出端信号(D_max)不变，通过第一变频调制器得出调制信号；当第一电压传感器的输出端信号(V_inf)大于第二标准值V₂时，占空比随之减小，不利于效率的提升，此时通过控制方式选择器选择第三加法器，增加第三加法器的输出端信号(f_s2)，同时保持最小调制比生成器的输出端信号(D_min)不变，通过第二变频调制器得出调制信号；当第一电压传感器的输出端信号(V_inf)大小在第一标准值V₁与第二标准值V₂之间时，通过控制方式选择器选择第二加法器，调节第二加法器的输出端信号(D_ref)的大小，同时保持频率基准值生成器的输出端信号(f_sref)不变，通过恒频脉宽调制器得出调制信号。由此，可针对不同变换器、不同的优化目标，划分不同工作模式的边界点，有针对性的实现高效的控制策略。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、该电路结构比传统的变换器结构减少了一个大电感和一个二极管，减少了元器件，特别是磁性元件的使用，减小了变换器的体积、重量；

2、从根本上解决了输出整流二极管反向恢复、寄生振荡的问题；

3、实现了开关管的零电流开通；

4、新型PWM加变频分段优化组合控制方案可以针对不同的优化目标，变换器工作更加高效。

附图说明

图1为双管隔离型变换器及其控制策略框图；

图1中符号名称：T_r——变压器(原边绕组W₁、副边W₂)；Q₁～Q₂——开关管；D₁～D₂——开关管Q₁～Q₂对应的体二极管；D₃～D₅——二极管；I_D5——流经二极管D₅的电流；L_r——缓冲电感；I_Lr——缓冲电感电流；V_p——缓冲电感输入侧电压；C_o——滤波电容，R_o——负载电阻；V_ref——输出电压基准值；V_o——输出电压；V_of——输出电压检测值；V_e——电压调节器输入信号值；V_r——电压调节器的输出信号值；V_inf——输入电压检测值；V_in——输入电压；Δf_s1——控制方式选择器的第一输出端信号值；ΔD——控制方式选择器的第二输出端信号值；Δf_s2——控制方式选择器的第三输出端信号值；f_sref——开关频率基准值；D₀——调制比基准值；f_s1——第一加法器的输出端信号；D_ref——第二加法器的输出端信号；f_s2——第三加法器的输出端信号；D_max——最大调制比生成器的输出信号；D_min——最小调制比生成器的输出信号；u_Q1～u_Q2——开关管Q₁～Q₂的驱动信号；

图2为双管变换器的工作波形；

图2中符号名称：t₀～t₄——双管隔离型变换器在一个开关周期内的时间节点；I_Lr1——缓冲电感电流在t₁时刻的值；I_Lm——变压器励磁电流；

图3为双管变换器在一个周期内的工作模态；

图4为新型PWM加变频分段优化组合控制方案的示意图；

图5为新型PWM加变频分段优化组合控制方案的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

一、提出了一种双管隔离型变换器。

双管隔离型变换器电路拓扑如图1所示，包括变压器T_r(原边、副边)，开关管Q₁、Q₂(D₁、D₂分别为对应体二极管)，二极管D₃、D₄、D₅，缓冲电感L_r(可由变压器漏感实现)、滤波电容C_o，负载电阻R_o。所述开关管可为MOS管。

内电感双管隔离型变换器的工作波形如图2所示。该变换器在一个周期内的工作模态如图3所示，具体分析如下：

[t₀,t₁]：电路工作模态如图3(a)所示。在t₀时刻，开关管Q₁、Q₂零电流开通，谐振电感电流I_Lr值为零，即I_Lr(t₀)＝0。t₀时刻之后，+V_in加在原边桥臂之间，i_Lr开始增加，电源能量传递给负载，变压器被正向磁化。变压器原边极性为上正下负，则变压器副边二极管D₅导通，此时变压器励磁电感L_m上电压被箝位在+n_pV_o/n_s，其中，n_p、n_s分别为变压器原、副边绕组的匝数，因此该过程中L_m恒压充电。t₁时刻，Q₁、Q₂关断，此模态结束。

[t₁,t₂]：电路工作模态如图3(b)所示。t₁时刻，Q₁、Q₂硬关断，i_Lr流经二极管D₃、D₄。此时，-V_in加在原边桥臂之间，i_Lr开始下降。在此阶段，i_Lr始终大于励磁电流i_Lm，所以变压器原边始终有电流正向流过，副边二极管D₅继续导通。t₂时刻，i_Lr下降至与i_Lm的值相等，此模态结束。

[t₂,t₃]：电路工作模态如图3(c)所示。t₂时刻，由于i_Lr等于i_Lm，变压器原副边脱开，L_m不再被箝位，变压器进行磁复位。此时，-V_in加在原边桥臂之间，i_Lr与i_lm一起下降。副边由输出电容为负载供电。t₃时刻，i_Lr与i_lm均下降至零，此模态结束。

[t₃,t₄]：电路工作模态如图3(d)所示。变压器原边没有电流流过，副边输出电容继续给负载供电，直到开关管Q₁、Q₂开通，该模态结束，开始下一个周期的工作。

二、提出了一种新型的PWM加变频的分段优化组合控制方案。

对双管变换器电路的模态进行分析，可得该变换器增益为：

其中，L_r为缓冲电感，D为占空比，T_s为开关周期，f_s为开关频率，R₀为负载电阻，M＝D²T_sR₀＝D²R₀/f，原副边匝比N＝n_p/n_s。

通过电路增益的表达式可以看出，通过调节占空比D可以调节输出电压，同时，调节开关频率f_s也可实现输出电压的调节。据此，变换器可以PWM调制，也可以变频控制。PWM加变频控制相对单一的控制方式增加了一个自由度，也增加了可优化的目标。将PWM控制与变频控制的优点相结合，将有利于变换器的优化。

这种控制方式是由第一电压传感器、第二电压传感器、减法器、电压调节器、控制方式选择器、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一变频调制器、恒频脉宽调制器、第二变频调制器、或门电路组成。采用第一电压传感器采样输入电压(V_inf)，作为控制方式选择器的一个输入信号。同时，采用第二电压传感器采样输出电压(V_of)，与参考电压(V_ref)经过减法器产生误差信号(V_e)，再经过电压调节器产生输出信号为(V_r)，作为控制方式选择器的另一个输入信号。控制方式选择器以输入电压大小作为变换器工作模式划分依据：当输入电压(V_inf)较低(小于标准值V₁)时，通过控制方式选择器选择第一加法器，降低开关频率(f_s1)，同时保持最大占空比(D_max)不变，通过第一变频调制器得出调制信号；当输入电压(V_inf)较高(大于标准值V₂)时，占空比随之减小，不利于效率的提升，此时通过控制方式选择器选择第三加法器，增加开关频率(f_s2)，同时保持最小占空比(D_min)不变，通过第二变频调制器得出调制信号；当输入电压(V_inf)大小在两个标准值V₁、V₂之间时，通过控制方式选择器选择第二加法器，调节占空比(D_ref)的大小，同时保持开关频率(f_sref)不变，通过恒频脉宽调制器得出调制信号。最后通过或门电路对上述产生的三种调制信号进行选择，为开关管Q₁、Q₂提供驱动信号(u_Q1,u_Q2)。由此，可针对不同变换器、不同的优化目标，划分不同工作模式的边界点，有针对性的实现高效的控制策略。其示意图、流程图如图4、图5所示。

综上所述，本发明提出一种双管隔离型变换器，输出滤波电路采用电容滤波，一方面减少了磁性元件的使用，使得滤波电路的体积减小，另一方面解决了整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题，实现了开关管的零电流开通，减小开通损耗。同时提出一种新型的PWM加变频的分段优化组合控制方案，该控制方案可以结合不同的优化目标，有针对性地调节控制方式，使变换器工作更为高效。

Claims

1.一种双管隔离型变换器，包括变压器T_r，原边W₁、副边W₂，开关管Q₁、Q₂，D₁、D₂分别为开关管Q₁、Q₂对应体二极管，二极管D₃、D₄、D₅，缓冲电感L_r、滤波电容C_o，负载电阻R_o，所述开关管为MOS管；

开关管Q₁源极端与二极管D₃阴极相连，并且与缓冲电感L_r的一端连接；开关管Q₂漏极端与二极管D₄阳极端相连，并且与变压器T_r原边绕组的异名端连接；开关管Q₁漏极端、二极管D₄阴极端同时连接到输入电源正极；开关管Q₂源极端、二极管D₃阳极同时连接到输入电源负极；变压器T_r原边绕组的同名端连接到缓冲电感L_r的另一端；变压器T_r副边绕组的同名端与二极管D₅阳极相连，二极管D₅阴极与滤波电容C_o的正极端、负载电阻R_o的一端连接；变压器T_r副边绕组的异名端与滤波电容C_o的负极端、负载电阻R_o的另一端连接；

所述双管隔离型变换器的控制为一种新型的PWM加变频分段的优化组合控制方案：第一电压传感器的输入端连接在输入电源的正极端与负极端之间，第二电压传感器的输入端连接在滤波电容C_o的正极端与负极端之间；减法器的正输入端与负输入端分别接输出电压基准值发生器的输出端与第二电压传感器的输出端，减法器的输出端连接到电压调节器的输入端；控制方式选择器的第一输入端与第二输入端分别接第一电压传感器的输出端与电压调节器的输出端，控制方式选择器的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别接第一加法器的第一正输入端、第二加法器的第一正输入端、第三加法器的第一正输入端；第一加法器的第二正输入端、第三加法器的第二正输入端均连接到频率基准值生成器的输出端，第二加法器的第二正输入端连接到调制比基准值生成器的输出端；第一加法器的输出端、第二加法器的输出端、第三加法器的输出端分别连接到第一变频调制器的第一输入端、恒频脉宽调制器的第一输入端、第二变频调制器的第一输入端；第一变频调制器的第二输入端连接最大调制比生成器的输出端，恒频脉宽调制器的第二输入端连接频率基准值生成器的输出端，第二变频调制器的第二输入端连接到最小调制比生成器的输出端；或门的第一、第二、第三输入端分别连接第一变频调制器的输出端、恒频脉宽调制器的输出端、第二变频调制器的输出端；或门的输出端信号作为开关管Q₁、Q₂的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的双管隔离型变换器，控制方式选择器以输入电压大小作为变换器工作模式划分依据：当第一电压传感器的输出端小于第一标准值V₁时，通过控制方式选择器选择第一加法器，降低第一加法器的输出端，同时保持最大调制比生成器的输出端不变，通过第一变频调制器得出调制信号；当第一电压传感器的输出端大于第二标准值V₂时，此时通过控制方式选择器选择第三加法器，增加第三加法器的输出端，同时保持最小调制比生成器的输出端不变，通过第二变频调制器得出调制信号；当第一电压传感器的输出端大小在第一标准值V₁与第二标准值V₂之间时，通过控制方式选择器选择第二加法器，调节第二加法器的输出端的大小，同时保持频率基准值生成器的输出端不变，通过恒频脉宽调制器得出调制信号；由此，可针对不同变换器、不同的优化目标，划分不同工作模式的边界点，有针对性的实现高效的控制策略。