CN105811777A - 一种单管变换器及其控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单管变换器，解决了传统带磁复位绕组的单端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；滤波电路仅为一个电容并联在该变换器的输出端，减少了磁性元件的使用。

Description

一种单管变换器及其控制策略
技术领域
本发明属于电力电子变换器领域，具体涉及一种单管变换器及其控制策略。
背景技术
在开关电源变换电路中，带附加绕组的单端正激变换器由于具有电路结构简单、工作可靠性高、变压器磁化能量能无损地回馈到输入电源中去等优点而广泛应用于中小功率变换场合。但是传统的带附加绕组的单端正激变换器的输出整流二极管存在反向恢复、电压振荡等缺点，而且变换器的滤波电路为大电感与电容结合的滤波电路，使得变换器的体积普遍较大，占用空间大。因此需要找到克服以上缺点的结构简单的变换器电路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决传统带磁复位绕组的单端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；滤波电路仅为一个电容并联在该变换器的输出端，减少了磁性元件的使用。
技术方案：
一、公开了一种单管变换器。
本发明公开一种单管变换器，包括变压器Tr(原边N1线圈、副边线圈N2、复位线圈N3)，开关管Q1(D1为其体二极管)，二极管D2、D3，缓冲电感Lr(可由变压器漏感提供)、滤波电容Co，负载电阻Ro。所述开关管可为MOS管。
开关管Q1源极端、二极管D3阳极端同时连接到输入电源负极。复位线圈N3异名端、变压器Tr原边N1同名端同时连接到输入电源正极。变压器原边N1异名端与开关管Q1漏极端相连。复位线圈N3同名端与二极管D3阴极相连。变压器副边线圈N2同名端与缓冲电感Lr的一端相连，缓冲电感Lr的另一端与二极管D2阳极相连，二极管D2阴极与滤波电容Co的正端、负载电阻Ro的一端相连，变压器副边N2异名端与滤波电容Co的负端、负载电阻Ro的另一端相连。所述MOS管可由IGBT、三极管替换，替换原则如下：所述MOS管的漏极对应三极管、IGBT的集电极，所述MOS管的源极对应三极管、IGBT的发射极。所述缓冲电感Lr可以是外加电感，也可由变压器漏感提供。
二、提出了一种新型的分段控制调制策略。
单管变换器的控制方案为一种新型的分段控制调制策略。将电压传感器两个输入端连接到负载电阻Ro的两端，电压传感器的输出端信号(Vof)连接到减法器的负输入端，减法器的正输入端连接输出电压基准值信号(Vref)；误差放大器的输入端连接减法器的输出端信号(Voe)；比较器的正输入端连接误差放大器的输出端信号(Vor)，比较器的负输入端连接载波信号发生器的输出端信号(Vc)，比较器的输出端脉冲信号(Vpul)连接到信号范围识别器的输入端，信号范围识别器的第一输出端信号(Vr1)与第二输出端信号(Vr2)分别连接到脉宽调制器的输入端与频率调制器的输入端；或门的两个输入端分别连接到脉宽调制器的输出端与频率调制器的输出端，或门的输出端信号(uQ1)作为开关管Q1的驱动信号。
上述信号范围识别器、脉宽调制器、频率调制器与或门共同构成了分段选择控制器，其中信号范围识别器的功能是判别比较器输出端脉冲信号(Vpul)占空比的范围，如果占空比介于设定的最大值Dmax与最小值Dmin之间时，则脉宽调制器工作，频率调制器不工作；如果占空比大于设定的最大值Dmax或小于设定的最小值Dmin时，则脉宽调制器不工作，频率调制器工作；最后通过或门对上述产生的两种调制信号进行逻辑操作后得到开关管Q1的驱动信号。以上控制策略可针对不同变换器、不同的优化目标，划分不同工作模式的边界点，有针对性的研究更加高效的控制策略。
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、新型分段控制调制策略可以针对不同的优化目标，划分不同工作模式的边界点，有针对性的研究更加高效的控制策略。
附图说明
图1为单管变换器的电路图；
图1中符号名称：Tr----变压器；N1----原边线圈；N2----副边线圈；N3----磁复位线圈；Q1----开关管；D1----开关管Q1的体二极管；D2----整流二极管；D3----磁复位二极管；Lr----缓冲电感；Co----滤波电容；Ro----负载电阻；ID3----磁复位二极管电流；ILr----缓冲电感电流；VQ1----开关管端电压；Vin----变换器输入电压；Vo----变换器输出电压。
图2为单管变换器的工作波形；
图2中符号名称：uQ1----开关管Q1的驱动信号；Im----变压器励磁电流；t0～t4----变换器在一个开关周期内的5个时间节点。
图3为单管变换器的四个工作模态；
图4为单管变换器控制策略示意图；
图5为单管变换器的分段选择控制器示意图。
图5中符号名称：Vof----输出电压检测信号；Vref----输出电压基准值；Voe----减法器输出信号；Vor----误差放大器输出信号；Vc----载波信号；Vpul----比较器输出的脉冲信号；Vr1----脉宽调制基准信号；Vr2----频率调制基准信号。
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、提出了一种单管变换器。
单管变换器电路拓扑如图1所示，包括变压器Tr(原边N1线圈、副边线圈N2、复位线圈N3)，开关管Q1(D1为其体二极管)，二极管D2、D3，缓冲电感Lr(可由变压器漏感提供)、滤波电容Co，负载电阻Ro。所述开关管可为MOS管。
开关管Q1源极端、二极管D3阳极端同时连接到输入电源负极。复位线圈N3异名端、变压器Tr原边N1同名端同时连接到输入电源正极。变压器原边N1异名端与开关管Q1漏极端相连。复位线圈N3同名端与二极管D3阴极相连。变压器副边线圈N2同名端与缓冲电感Lr的一端相连，缓冲电感Lr的另一端与二极管D2阳极相连，二极管D2阴极与滤波电容Co的正端、负载电阻Ro的一端相连，变压器副边N2异名端与滤波电容Co的负端、负载电阻Ro的另一端相连。所述MOS管可由IGBT、三极管替换，替换原则如下：所述MOS管的漏极对应三极管、IGBT的集电极，所述MOS管的源极对应三极管、IGBT的发射极。所述缓冲电感Lr可以是外加电感，也可由变压器漏感提供。
该变换器在一个周期内的工作波形如图2所示，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开通，缓冲电感电流ILr值为零，即ILr(t0)＝0。t0时刻之后，原边电流由N1同名端流入，开关管Q1源极流出，副边ILr开始增加，电源能量传递给负载，变压器正向磁化，变压器副边二极管D2导通。t1时刻，Q1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关断，磁复位二极管D3导通，变压器进行磁复位。副边二极管D2继续导通，副边电流ILr,开始下降。t2时刻，ILr下降至零，此模态结束。
[t2,t3]：电路工作模态如图3(c)所示。t2时刻，由于ILr下降至零，变压器副边电路中仅有滤波电容向负载电阻供电；变压器原边电路侧，变压器继续进行磁复位，直到流过磁复位二极管D3的电流下降到零位置，该模态结束。
[t3,t4]：电路工作模态如图3(d)所示。T3时刻，由于ILr下降至零，因此在本阶段内，除了变压器副边电路的滤波电容向负载电阻供电外，电路中的其它之路都没有电流流过。在开关管Q1再次开通时刻，该模态结束。
二、提出了一种新型的分段控制调制策略。
该变换器通过调节占空比D可以调节输出电压，同时，调节开关频率fs也可实现输出电压的调节。据此，增加了可调节的目标，有利于变换器的优化。
本发明提出控制方案为一种新型的分段控制调制策略。由通过电压传感器(1)采样变换器输出电压(Vof)，与参考电压(Vref)经过减法器产生误差信号(Voe)，再通过误差放大电路(2)产生输出信号(Vor)，作为比较器(4)的一个输入信号。三角载波发生器(3)产生输出信号(Vc)，作为比较器(4)的另一个输入信号。通过比较器(4)产生PWM信号。通过分段选择控制器(5)对该信号进行判断，为开关管Q1提供驱动信号(uQ1)。其示意图如图4所示。
图5进一步给出了图4中分段选择控制器(5)的实现方式，分段选择控制器，其中信号范围识别器的功能是判别比较器输出端脉冲信号(Vpul)占空比的范围，如果占空比介于设定的最大值Dmax与最小值Dmin之间时，则脉宽调制器工作，频率调制器不工作；如果占空比大于设定的最大值Dmax或小于设定的最小值Dmin时，则脉宽调制器不工作，频率调制器工作；最后通过或门对上述产生的两种调制信号进行逻辑操作后得到开关管Q1的驱动信号。以上控制策略可针对不同变换器、不同的优化目标，划分不同工作模式的边界点，有针对性的研究更加高效的控制策略。
综上所述，本发明针对传统的带附加绕组的单端正激变换器的输出整流二极管存在反向恢复、电压振荡等缺点，而且变换器的滤波电路为大电感与电容结合的滤波电路，使得变换器的体积普遍较大，占用空间大的问题，提出了一种单管变换器，输出滤波电路只保留一个电容滤波，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，具有性能优良，效率高，可靠性好的优点。

Claims (5)

1.本发明公开一种单管变换器，包括变压器Tr(原边线圈N1、副边线圈N2、磁复位线圈N3)，开关管Q1(D1为其体二极管)，二极管D2、D3，缓冲电感Lr(可由变压器漏感提供)、滤波电容Co，负载电阻Ro。所述开关管可为MOS管。
开关管Q1源极端、二极管D3阳极端同时连接到输入电源负极。复位线圈N3异名端、变压器Tr原边线圈N1同名端同时连接到输入电源正极。变压器原边线圈N1异名端与开关管Q1漏极端相连。磁复位线圈N3同名端与二极管D3阴极相连。变压器副边线圈N2同名端与缓冲电感Lr的一端相连，缓冲电感Lr的另一端与二极管D2阳极相连，二极管D2阴极与滤波电容Co的正端、负载电阻Ro的一端相连，变压器副边绕组N2异名端与滤波电容Co的负端、负载电阻Ro的另一端相连。
2.根据权利要求1所述的单管变换器，所述MOS管可由IGBT、三极管替换，替换原则如下：所述MOS管的漏极对应三极管、IGBT的集电极，所述MOS管的源极对应三极管、IGBT的发射极。
3.根据权利要求1所述的单管变换器，其缓冲电感Lr可以是外加电感，也可由变压器漏感提供。
4.根据权利要求1所述的单管变换器，其控制方案为一种新型的分段控制调制策略。将电压传感器两个输入端连接到负载电阻Ro的两端，电压传感器的输出端信号(Vof)连接到减法器的负输入端，减法器的正输入端连接输出电压基准值信号(Vref)；误差放大器的输入端连接减法器的输出端信号(Voe)；比较器的正输入端连接误差放大器的输出端信号(Vor)，比较器的负输入端连接载波信号发生器的输出端信号(Vc)，比较器的输出端脉冲信号(Vpul)连接到信号范围识别器的输入端，信号范围识别器的第一输出端信号(Vr1)与第二输出端信号(Vr2)分别连接到脉宽调制器的输入端与频率调制器的输入端；或门的两个输入端分别连接到脉宽调制器的输出端与频率调制器的输出端，或门的输出端信号(uQ1)作为开关管Q1的驱动信号。
5.根据权利要求4所述，信号范围识别器、脉宽调制器、频率调制器以及或门共同构成了分段选择控制器，其中信号范围识别器的功能是判别比较器输出端脉冲信号(Vpul)占空比的范围，如果占空比介于设定的最大值Dmax与最小值Dmin之间时，则脉宽调制器工作，频率调制器不工作；如果占空比大于设定的最大值Dmax或小于设定的最小值Dmin时，则脉宽调制器不工作，频率调制器工作；最后通过或门对上述脉宽调制器与频率调制器产生的两路调制信号进行逻辑操作后得到开关管Q1的驱动信号。
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