CN107612327B - 双向变换器及其软开关控制方法和电源设备 - Google Patents

双向变换器及其软开关控制方法和电源设备 Download PDF

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Abstract

一种双向变换器及其软开关控制方法，检测双向变换器的第一输出电压和流过电感器的电感电流；根据输出电压，调整并得到开关管的PWM信号的占空比；其中，控制开关管关断时刻为：能在开关管开通前将其输出结电容的放电完毕时；通过控制双向变换器的开关频率以及占空比来得到预设电压，并检测电感电流来控制开关管的开通时刻，来达到让开关管实现零电压开通，在不增加任何辅助器件的情况下，通过改变控制方法，来实现开关的零电压开通，减小变换器损耗，提高变换器功率密度和可靠性，降低成本。

Description

双向变换器及其软开关控制方法和电源设备
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种双向变换器及其软开关控制方法和电源设备。
背景技术
目前，目前Buck/Boost变换器工作实现软开关大致可分为两种，1)让变换器工作在DCM((Discontinuous Conduction Mode，非连续导通模式)或临界模式下，实现零电流开通；2)通过增加辅助器件来实现零电压或零电流开通。然而目前的实现方式都具有缺点。
1)变换器工作在DCM或临界模式下，能实现零电流开通，但不能实现零电压开通，开关管输出结电容的能量，在开通之前不能转移，开通时损耗在开关上，且对于高频、高压工作条件开关管开通损耗更为突出。
2)增加辅助器件来实现零电压或零电流开关，也增加了变换器的故障点以及成本。在控制原有的开关S1，SR还要额外的控制辅助的开关管S。
发明内容
本发明的目的在于在不增加任何辅助器件的情况下提供一种双向变换器的软开关控制方法，以低成本的方式解决传统的双向变换器中存在的开关管开通损耗高，功率密度及可靠性低的问题。
一种双向变换器的软开关控制方法，所述双向变换器包括第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管和一电感器，所述第一电容第一端和所述第二电容第一端分别作为两个电源正极，所述第一电容第二端和所述第二电容第二端接地，所述第二电容容量低于所述第一电容容量，所述电感器第一端通过所述第一开关管接所述第一电容第一端，还通过所述第二开关管接地，所述电感器第二端接所述第二电容第一端，所述方法包括：
所述双向变换器工作在Buck状态下输出第一预设电压时：
检测所述双向变换器的第一输出电压和流过所述电感器的电感电流；
比对所述第一预设电压和所述第一输出电压，调整并得到控制所述第一开关管的第一PWM信号的占空比和控制第二开关管的第二PWM信号的占空比；
其中，所述第二PWM信号控制所述第二开关管关断时刻为：在所述电感电流达到能在所述第一开关管开通前将其输出结电容的放电完毕的第一预设负值时；
所述双向变换器工作在Boost状态下输出第二预设电压时：
检测所述双向变换器的第二输出电压和所述电感器的电感电流；
比对所述第二预设电压和所述第二输出电压，调整并得到控制所述第一开关管的第三PWM信号的占空比和第二开关管的第四PWM信号的占空比；
其中，所述第三PWM信号控制所述第一开关管关断时刻为：在所述电感电流达到能将在所述第二开关管开通前将其输出结电容的放电完毕的第二预设负值时。
此外，还提供了一种双向变换器，所述双向变换器包括第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管和一电感器，所述第一电容第一端和所述第二电容第一端分别作为两个电源正极，所述第一电容第二端和所述第二电容第二端接地，所述第二电容容量低于所述第一电容容量，所述电感器第一端通过所述第一开关管接所述第一电容第一端，还通过所述第二开关管接地，所述电感器第二端接所述第二电容第一端，所述双向变换器还包括检测电路和控制器；
所述双向变换器工作在Buck状态下输出第一预设电压时：
所述检测电路检测所述双向变换器的第一输出电压和流过所述电感器的电感电流；
所述控制器比对所述第一预设电压和所述第一输出电压，调整并得到控制所述第一开关管的第一PWM信号的占空比和控制第二开关管的第二PWM信号的占空比；
其中，所述第二PWM信号控制所述第二开关管关断时刻为：在所述电感电流达到能在所述第一开关管开通前将其输出结电容的放电完毕的第一预设负值时；
所述双向变换器工作在Boost状态下输出第二预设电压时：
所述检测电路检测所述双向变换器的第二输出电压和所述电感器的电流；
所述控制器比对所述第二预设电压和所述第二输出电压，调整并得到控制所述第一开关管的第三PWM信号的占空比和第二开关管的第四PWM信号的占空比；
其中，所述第三PWM信号控制所述第一开关管关断时刻为：在所述电感电流达到能将在所述第二开关管开通前将其输出结电容的放电完毕的第二预设负值时。
此外，还提供了一种电源设备，包括上述的双向变换器。
上述的双向变换器及其软开关控制方法和电源设备通过控制双向变换器的开关频率以及占空比来得到预设电压，并检测电感电流来控制开关管的开通时刻，来达到让开关管实现零电压开通，在不增加任何辅助器件的情况下，通过改变控制方法，来实现开关的零电压开通，减小变换器损耗，提高变换器功率密度和可靠性，降低成本。
附图说明
图1为本发明实施例中双向变换器电路结构示意图；
图2为本发明控制双向变换器工作在Buck状态下的信号时序图；
图3为本发明控制双向变换器工作在Boost状态下的信号时序图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明较佳实施例中的双向变换器可用于电源设备，其包括检测电路10、控制器20、第一电容C1、第二电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2和一电感器L1，所述第一电容C1第一端和所述第二电容C2第一端分别作为两个电源正极P、O，第一电容C1第二端和第二电容C2第二端接地，第二电容C2容量低于第一电容C1容量，电感器L1第一端通过第一开关管S1接第一电容C1第一端，还通过第二开关管S2接地，电感器L1第二端接第二电容C2第一端。其中，DS1,DS2为开关管体二极管，CS1，CS2为开关管输出结电容。
请参阅图1和图2，双向变换器工作在Buck状态下输出第一预设电压时，即电流由电源正极P往电源正极O流为正。第一预设电压为双向变换器输出的所需电压。
此时，检测电路10检测双向变换器的第一输出电压(即电源正极O点电压)和流过电感器L1的电感电流iL；控制器20比对第一预设电压和第一输出电压，调整并得到控制第一开关管S1的第一PWM信号PWM1的占空比和控制第二开关管S2的第二PWM信号PWM2的占空比。如此，据控制器20输出反馈环路调整开关频率，使得Buck状态下输出电压的达到预期的第一预设电压。
其中，在控制过程中，第二PWM信号PWM2控制第二开关管S2关断时刻t2为：在电感电流iL达到能在第一开关管S1闭合/开通之前将其输出结电容CS1的放电完毕的第一预设负值-iP时，以使得在下个时刻t3第一开关管S1能实现零电压开通。如此，第一PWM信号PWM1在第一开关管S1的输出结电容CS1的放电完毕控制第一开关管S1开通。
进一步地，第一预设负值-iP的电感电流iL还满足将第二开关管S2的输出结电容CS2的充电达到输入电压(电源正极P点电压)，即输出结电容CS2的电压与第一电容C1的电压相等。
更加具体的工作过程如下：
请参阅图1和图2，双向变换器工作在Buck状态下，在t0到t1时刻根据输出反馈环路得到的占空比判断关断第一开关管S1，第一开关管S1的输出结电容CS1充电，第二开关管S2的输出结电容CS2放电，待第一开关管S1的输出结电容CS1充满至电源正极P点电压，第二开关管S2的输出结电容CS2电压降为零，第二开关管S2的开关管体二极管DS2自然导通，t1时刻第二开关管S2零电压开通。t1到t2时刻，第二开关管S2续流，待电感电流iL到-iP时，第二开关管S2关断，-iP取值应满足在t2-t3时间内能将第一开关管S1的输出结电容CS1降到零，第二开关管S2的输出结电容CS2充到电源正极P点电压，第一开关管S1零电压开通。
请参阅图1和图3，双向变换器工作在Boost状态下输出第二预设电压时，即电流由电源正极O往电源正极P流为正。第二预设电压为双向变换器输出的所需电压。
检测电路10检测双向变换器的第二输出电压(即电源正极P点电压)和电感器L1的电感电流iL；控制器20比对第二预设电压和第二输出电压，调整并得到控制第一开关管S1的第三PWM信号PWM3的占空比和第二开关管S2的第四PWM信号PWM4的占空比。如此，控制器20输出反馈环路调整开关频率，使得Boost状态下输出电压的达到预期的第二预设电压。
其中，在控制过程中，第三PWM信号PWM3控制第一开关管S1关断时刻t2为：在电感电流iL达到能在第二开关管S2闭合/开通之前将其输出结电容CS2的放电完毕的第二预设负值-ij时，以使得在下个时刻t3第二开关管S2能实现零电压开通。如此，第四PWM信号PWM4在第二开关管S2的输出结电容CS2的放电完毕控制第二开关管S2开通。
进一步地，第二预设负值-ij的电感电流iL还满足将第一开关管S1的输出结电容CS1的充电达到输出电压(电源正极P点电压)，即输出结电容CS1的电压与第一电容C1的电压相等。
更加具体的工作过程如下：
请参阅图1和图3，双向变换器工作在Boost状态下，电流由电源正极O往电源正极P流为正，在t0到t1时刻根据输出反馈环路得到的占空比判断关断第二开关管S2，第二开关管S2的输出结电容CS2充电，第一开关管S1的输出结电容CS1放电，待第二开关管S2的输出结电容CS2充满至电源正极P点电压，第一开关管S1的输出结电容CS1电压降为零，第一开关管S1的开关管体二极管DS1自然导通，t1时刻第一开关管S1零电压开通。t1到t2时刻，第二开关管S2续流，待iL到-iP时，第一开关管S1关断，-iP取值应满足在t2-t3时间内能将第二开关管S2的输出结电容CS2降到零，第一开关管S1的输出结电容CS1充到电源正极P点电压，第二开关管S2零电压开通。
上述的双向变换器通过控制双向变换器的开关频率以及占空比来得到预设电压，并检测电感电流来控制开关管的开通时刻，来达到让开关管实现零电压开通，在不增加任何辅助器件的情况下，通过改变控制方法，来实现开关的零电压开通，减小变换器损耗，提高变换器功率密度和可靠性，降低成本。
此外，请参阅图1至3，还公开了一种双向变换器的软开关控制方法，双向变换器包括第一电容C1、第二电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2和一电感器L1，第一电容C1第一端和第二电容C2第一端分别作为两个电源正极，第一电容C1第二端和第二电容C2第二端接地，第二电容C2容量低于第一电容C1容量，电感器L1第一端通过第一开关管S1接第一电容C1第一端，还通过第二开关管S2接地，电感器L1第二端接第二电容C2第一端，其中，DS1,DS2为开关管体二极管，CS1，CS2为开关管输出结电容。
双向变换器的软开关控制方法包括：
双向变换器工作在Buck状态下输出第一预设电压时：
检测双向变换器的第一输出电压(即电源正极O点电压)和流过电感器L1的电感电流iL；
比对第一预设电压和第一输出电压，调整并得到控制第一开关管S1的第一PWM信号PWM1的占空比和控制第二开关管S2的第二PWM信号PWM2的占空比。其中，第二PWM信号PWM2控制第二开关管S2关断时刻t2为：在电感电流iL达到能在第一开关管S1闭合/开通之前将其输出结电容CS1的放电完毕的第一预设负值-iP时，以使得在下个时刻t3第一开关管S1能实现零电压开通。
双向变换器工作在Boost状态下输出第二预设电压时：
检测双向变换器的第二输出电压(即电源正极P点电压)和电感器L1的电感电流iL；
比对第二预设电压和第二输出电压，调整并得到控制第一开关管S1的第三PWM信号PWM3的占空比和第二开关管S2的第四PWM信号PWM4的占空比。其中，第三PWM信号PWM3控制第一开关管S1关断时刻t2为：在电感电流iL达到能在第二开关管S2闭合/开通之前将其输出结电容CS2的放电完毕的第二预设负值-ij时，以使得在下个时刻t3第二开关管S2能实现零电压开通。如此，第四PWM信号PWM4在第二开关管S2的输出结电容CS2的放电完毕控制第二开关管S2开通。
进一步地，第一预设负值-iP的电感电流iL还满足将第二开关管S2的输出结电容CS2的充电达到输入电压。
第二预设负值-ij的电感电流iL还满足将第一开关管S1的输出结电容CS1的充电达到输出电压。
上述的双向变换器及其软开关控制方法和电源设备通过控制双向变换器的开关频率以及占空比来得到预设电压，并检测电感电流来控制开关管的开通时刻，来达到让开关管实现零电压开通，在不增加任何辅助器件的情况下，通过改变控制方法，来实现开关的零电压开通，减小变换器损耗，提高变换器功率密度和可靠性，降低成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双向变换器的软开关控制方法，所述双向变换器包括第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管和一电感器，所述第一电容第一端和所述第二电容第一端分别作为两个电源正极，所述第一电容第二端和所述第二电容第二端接地，所述第二电容容量低于所述第一电容容量，所述电感器第一端通过所述第一开关管接所述第一电容第一端，还通过所述第二开关管接地，所述电感器第二端接所述第二电容第一端，其特征在于，所述方法包括：
所述双向变换器工作在Buck状态下输出第一预设电压时：
检测所述双向变换器的第一输出电压和流过所述电感器的电感电流；
比对所述第一预设电压和所述第一输出电压，调整并得到控制所述第一开关管的第一PWM信号的占空比和控制第二开关管的第二PWM信号的占空比；
调整开关频率，使得在Buck状态下，所述双向变换器的输出电压达到预期的第一预设电压；
其中，所述第二PWM信号控制所述第二开关管关断时刻为：在所述电感电流达到能在所述第一开关管开通前将其输出结电容的放电完毕的第一预设负值时；
所述双向变换器工作在Boost状态下输出第二预设电压时：
检测所述双向变换器的第二输出电压和所述电感器的电感电流；
比对所述第二预设电压和所述第二输出电压，调整并得到控制所述第一开关管的第三PWM信号的占空比和第二开关管的第四PWM信号的占空比；
调整开关频率，使得在Boost状态下，所述双向变换器的输出电压达到预期的第二预设电压；
其中，所述第三PWM信号控制所述第一开关管关断时刻为：在所述电感电流达到能将在所述第二开关管开通前将其输出结电容的放电完毕的第二预设负值时。
2.如权利要求1所述的软开关控制方法，其特征在于，所述第一预设负值的电感电流还满足在所述第一开关管开通前将所述第二开关管的输出结电容的充电达到输入电压。
3.如权利要求1或2所述的软开关控制方法，其特征在于，所述第一PWM信号在所述第一开关管的输出结电容的放电完毕控制所述第一开关管开通。
4.如权利要求1所述的软开关控制方法，其特征在于，所述第二预设负值的电感电流还满足在所述第二开关管开通前将所述第一开关管的输出结电容的充电达到输出电压。
5.如权利要求1或4所述的软开关控制方法，其特征在于，所述第四PWM信号在所述第二开关管的输出结电容的放电完毕控制所述第二开关管开通。
6.一种双向变换器，所述双向变换器包括第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管和一电感器，所述第一电容第一端和所述第二电容第一端分别作为两个电源正极，所述第一电容第二端和所述第二电容第二端接地，所述第二电容容量低于所述第一电容容量，所述电感器第一端通过所述第一开关管接所述第一电容第一端，还通过所述第二开关管接地，所述电感器第二端接所述第二电容第一端，其特征在于，所述双向变换器还包括检测电路和控制器；
所述双向变换器工作在Buck状态下输出第一预设电压时：
所述检测电路检测所述双向变换器的第一输出电压和流过所述电感器的电感电流；
所述控制器比对所述第一预设电压和所述第一输出电压，调整并得到控制所述第一开关管的第一PWM信号的占空比和控制第二开关管的第二PWM信号的占空比；
调整开关频率，使得Buck状态下所述双向变换器的输出电压达到预期的第一预设电压；
其中，所述第二PWM信号控制所述第二开关管关断时刻为：在所述电感电流达到能在所述第一开关管开通前将其输出结电容的放电完毕的第一预设负值时；
所述双向变换器工作在Boost状态下输出第二预设电压时：
所述检测电路检测所述双向变换器的第二输出电压和所述电感器的电流；
所述控制器比对所述第二预设电压和所述第二输出电压，调整并得到控制所述第一开关管的第三PWM信号的占空比和第二开关管的第四PWM信号的占空比；
调整开关频率，使得Boost状态下所述双向变换器的输出电压达到预期的第二预设电压；
其中，所述第三PWM信号控制所述第一开关管关断时刻为：在所述电感电流达到能将在所述第二开关管开通前将其输出结电容的放电完毕的第二预设负值时。
7.如权利要求6所述的双向变换器，其特征在于，所述第一预设负值的电感电流还满足在所述第一开关管开通前将所述第二开关管的输出结电容的充电达到输入电压。
8.如权利要求6或7所述双向变换器，其特征在于，所述第一PWM信号在所述第一开关管的输出结电容的放电完毕控制所述第一开关管开通。
9.如权利要求6所述的双向变换器，其特征在于，所述第二预设负值的电感电流还满足在所述第二开关管开通前将所述第一开关管的输出结电容的充电达到输出电压；
所述第四PWM信号在所述第二开关管的输出结电容的放电完毕控制所述第二开关管开通。
10.一种电源设备，其特征在于，包括权利要求6至9任一项所述的双向变换器。
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