CN108242891A - 一种隔离双向dc/dc的pwm与pfm混合控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔离双向DC/DC的PWM与PFM混合控制系统及方法，包括：依次串联连接的电压采样电路、减法器和混合控制器；所述电压采样电路采集到的电压信号和电压参考值通过减法器后输出稳态误差值，所述稳态误差值送入控制器与临界误差值信号比较，并根据比较结果输出PWM控制信号或者PFM控制信号。本发明有益效果：可以同时调节两个相互独立的变量——脉冲宽度和开关频率，控制方式更加灵活，对输出电压的控制更为精确，降低了输出电压纹波。

Description

一种隔离双向DC/DC的PWM与PFM混合控制系统及方法
技术领域
本发明涉及隔离式双向全桥DC/DC变换器技术领域，尤其涉及一种隔离双向DC/DC的PWM与PFM混合控制系统及方法。
背景技术
隔离式双向全桥DC/DC变换器，采用双全桥结构，即全桥逆变+高频变压器+全桥整流的电路结构，其包含一个高频变压器，可以提供良好的电气隔离性能，多应用于对安全性要求较高的场合。目前最新的电路拓扑为CLLLC谐振型双向DC/DC变换器，以下简称CLLLC谐振变换器。
CLLLC谐振变换器具有自然软开关特性，可在较宽的输入电压和全负载范围实现一次侧逆变开关管的ZVS和二次侧整流二极管的ZCS。目前，对于CLLLC谐振变换器，主要有脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)两种调制方法。然而，PFM调制方法可以在全负载范围内实现ZVS，但在轻负载情况下不能实现ZCS，而且，当电压增益范围较宽时，开关频率的调节范围相应变宽，不利于变换器的优化设计，且会对变换器的工作特性产生不良影响；PWM调制方法可以在全负载范围内实现ZVS和ZCS，在轻负载情况下可实现对电压的精确调节，但在重负载情况下，电压纹波较大，抗干扰能力较弱。
而PWM与PFM混合控制的调制方法可以在轻负载情况下实现ZCS，同时降低输出电压纹波，在稳态运行时，可实现全负载范围内对电压增益的精确控制。
发明内容
本发明的目的就是为了解决单独采用PFM调制在轻负载情况下不能实现ZCS和单独采用PWM调制在重负载情况下电压纹波大的问题，提供了一种隔离双向DC/DC的PWM与PFM混合控制系统及方法，该系统及方法可以在轻负载情况下实现ZCS，同时降低输出电压纹波，在稳态运行时，可实现全负载范围内对电压增益的精确控制。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
本发明公开了一种控制器，包括：A/D转换器、PI补偿器、比较器、PWM控制模块和PFM控制模块；
所述A/D转换器和PI补偿器串联连接后接入比较器的同相输入端，所述比较器的反相输入端接入临界误差值信号，所述比较器的输出端分别连接PWM控制模块和PFM控制模块。
本发明公开了一种PWM与PFM混合控制系统，包括：依次串联连接的电压采样电路、减法器和权利要求1所述的控制器；
所述电压采样电路采集到的电压信号和电压参考值通过减法器后输出稳态误差值，所述稳态误差值送入控制器与临界误差值信号比较，并根据比较结果输出PWM控制信号或者PFM控制信号。
本发明公开了一种隔离双向DC/DC的PWM与PFM混合控制系统，包括：依次串联连接的CLLLC谐振变换器、权利要求2所述的PWM与PFM混合控制系统以及CLLLC谐振变换器驱动电路；
所述PWM与PFM混合控制系统采集CLLLC谐振变换器的输出电压值，采集到的输出电压值与输出电压参考值经过减法器后输出稳态误差值，将稳态误差值与临界误差值信号比较，根据比较结果向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PWM控制信号或者PFM控制信号。
进一步地，如果稳态误差值的绝对值小于临界误差值，则向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PWM控制信号；否则，向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PFM控制信号。
本发明公开了一种隔离双向DC/DC的PWM与PFM混合控制方法，包括以下步骤：
采集CLLLC谐振变换器的输出电压信号；
将采集到的输出电压信号与输出电压参考值进行减法运算，输出稳态误差值；
将得到的稳态误差值经过A/D转换和PI补偿后，与临界误差值进行比较；
根据比较结果向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PWM控制信号或者PFM控制信号。
进一步地，如果稳态误差值的绝对值小于临界误差值，则向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PWM控制信号；否则，向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PFM控制信号。
本发明的有益效果：
(1)PWM与PFM混合控制方法相比于单独采用PWM控制方法和单独采用PFM控制方法更有优势，其可以同时调节两个相互独立的变量——脉冲宽度和开关频率，控制方式更加灵活，对输出电压的控制更为精确，降低了输出电压纹波；
(2)本方法可广泛推广应用到大功率隔离型DC/DC系列变换器，适应性强。
附图说明
图1为CLLLC谐振变换器示意图；
图2为本发明控制系统结构示意图；
图3为本发明控制方法流程图；
图4为本发明稳态误差值与临界误差值比较关系示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
CLLLC谐振变换器，与LLC谐振变换器相比，在变压器二次侧增加了一组LC谐振网络，使变换器在正向或反向工作时，电路拓扑完全对称，如图1所示。因此变换器的正反向工作特性完全一致，均具有增压、降压模式，且无论正向或反向工作，变换器均可以实现ZVS和ZCS。
正如背景技术所介绍的，为了解决单独采用PFM调制在轻负载情况下不能实现ZCS和单独采用PWM调制在重负载情况下电压纹波大的问题，本发明提出一种PWM与PFM混合控制的调制系统及方法。
在PFM控制下，CLLLC谐振变换器的电压增益只与工作频率有关，电压增益表达式为：
在PWM控制下，占空比定义为
利用傅里叶级数法，可得输入电压的基波表达式为
根据式(1)和式(3)，可得PWM与PFM混合控制下的电压增益为：
由式(4)可知，通过改变两个相互独立的变量——开关频率(fn)和脉冲宽度(td)，可以调节电压增益，这意味着在电压增益控制中有两个自由度，可以实现对电压的精确调节，降低输出电压纹波。
本发明公开了一种控制器，包括：A/D转换器、PI补偿器、比较器、PWM控制模块和PFM控制模块；A/D转换器和PI补偿器串联连接后接入比较器的同相输入端，比较器的反相输入端接入临界误差值信号，比较器的输出端分别连接PWM控制模块和PFM控制模块。
本发明进一步公开了一种PWM与PFM混合控制系统，包括：依次串联连接的电压采样电路、减法器和上述的控制器；
电压采样电路采集到的电压信号接入减法器的反相输入端，电压参考值接入减法器的同相输入端，两者通过减法器做差后输出稳态误差值，稳态误差值送入控制器与临界误差值信号比较，并根据比较结果输出PWM控制信号或者PFM控制信号。
本发明进一步公开了一种隔离式双向全桥DC/DC变换器的PWM与PFM混合控制系统，如图2所示，包括：依次串联连接的CLLLC谐振变换器、上述的PWM与PFM混合控制系统以及CLLLC谐振变换器驱动电路；
CLLLC谐振变换器开关管接收到CLLLC谐振变换器驱动电路的驱动信号开始工作；给开关管加软启动电路或程序，防止上下桥臂开关管同时导通，同时降低开关管的开关损耗；电路正常运行后，电压采样电路对输出电压和稳态误差进行检测，输出稳态误差值；将稳态误差值进行A/D转换并进行PI补偿；判断稳态误差值是否小于临界误差值，若是，则向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PWM控制信号；否则，向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PFM控制信号。
本发明公开的隔离式双向全桥DC/DC变换器的PWM与PFM混合控制方法如图3所示，具体步骤如下：
(1)通过电压采集电路采集输出电压Vo得到采样值Vo1；
(2)将输出电压采样值Vo1和输出电压参考值Vinf1分别送给加减运算电路的反相输入端和同相输入端，输出端为稳态误差值Verror。其中，电阻R1～R4满足如下关系：
R1＝R2，R3＝R4，R1/R3＝1 (5)
则Verror可表示为
Verror＝Vinf1-Vo1 (6)
若Verror大于零，则输出电压低于参考值；否则，输出电压高于参考值；Verror绝对值的大小反映了输出电压纹波的大小；
(3)稳态误差值Verror经A/D转换后发送给控制器，控制器对Verror值取绝对值后与临界误差值Vinf2比较。比较关系用图4表示，虚线圆圈表示临界误差值，实线曲线表示稳态误差值。若稳态误差绝对值低于临界误差值，即实线曲线在虚线圆圈内，则用PWM控制；否则，用PFM控制；
(4)控制器输出开关信号，经驱动电路进行功率放大，最后送给CLLLC谐振变换器。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种控制器，其特征在于，包括：A/D转换器、PI补偿器、比较器、PWM控制模块和PFM控制模块；
所述A/D转换器和PI补偿器串联连接后接入比较器的同相输入端，所述比较器的反相输入端接入临界误差值信号，所述比较器的输出端分别连接PWM控制模块和PFM控制模块。
2.一种PWM与PFM混合控制系统，其特征在于，包括：依次串联连接的电压采样电路、减法器和权利要求1所述的控制器；
所述电压采样电路采集到的电压信号和电压参考值通过减法器后输出稳态误差值，所述稳态误差值送入控制器与临界误差值信号比较，并根据比较结果输出PWM控制信号或者PFM控制信号。
3.一种隔离双向DC/DC的PWM与PFM混合控制系统，其特征在于，包括：依次串联连接的CLLLC谐振变换器、权利要求2所述的PWM与PFM混合控制系统以及CLLLC谐振变换器驱动电路；
所述PWM与PFM混合控制系统采集CLLLC谐振变换器的输出电压值，采集到的输出电压值与输出电压参考值经过减法器后输出稳态误差值，将稳态误差值与临界误差值信号比较，根据比较结果向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PWM控制信号或者PFM控制信号。
4.如权利要求3所述一种隔离双向DC/DC的PWM与PFM混合控制系统，其特征在于，如果稳态误差值的绝对值小于临界误差值，则向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PWM控制信号；否则，向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PFM控制信号。
5.一种隔离双向DC/DC的PWM与PFM混合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集CLLLC谐振变换器的输出电压信号；
将采集到的输出电压信号与输出电压参考值进行减法运算，输出稳态误差值；
将得到的稳态误差值经过A/D转换和PI补偿后，与临界误差值进行比较；
根据比较结果向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PWM控制信号或者PFM控制信号。
6.如权利要求5所述的一种隔离双向DC/DC的PWM与PFM混合控制方法，其特征在于，如果稳态误差值的绝对值小于临界误差值，则向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PWM控制信号；否则，向CLLLC谐振变换器驱动电路输出PFM控制信号。
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