CN108494249A - 一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统 - Google Patents

一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统 Download PDF

Info

Publication number
CN108494249A
CN108494249A CN201810502989.4A CN201810502989A CN108494249A CN 108494249 A CN108494249 A CN 108494249A CN 201810502989 A CN201810502989 A CN 201810502989A CN 108494249 A CN108494249 A CN 108494249A
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch
mode
buck
current
change
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810502989.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108494249B (zh
Inventor
刘谈平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN201810502989.4A priority Critical patent/CN108494249B/zh
Publication of CN108494249A publication Critical patent/CN108494249A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108494249B publication Critical patent/CN108494249B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/1566—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators with means for compensating against rapid load changes, e.g. with auxiliary current source, with dual mode control or with inductance variation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)

Abstract

本发明涉及一种换流电路拓扑结构，涉及电源技术领域，温度控制技术领域，具体涉及一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck‑Boost换流电路拓扑及其控制系统。该换流拓扑包括电源，与所述电源相连接的开关管，所述开关管通过电感和第二开关相连接，所述开关管的通断受到与其连接的开关驱动模块的控制；第四开关、电容和制冷片TEC并联后跨接在所述第二开关的另一端和电源负极之间；第一开关与二极管的阳极相连接后跨接在电源负极与所述电感的CA端之间；第三开关跨接于所述二极管的阳极与第四开关之间。本发明能够根据温度反馈信号动态地在Buck和Buck‑Boost结构之间切换，从而实现输出电压电流方向的切换，使得TEC工作在加热或制冷模式下。

Description

一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑 及其控制系统
技术领域
本发明涉及一种换流电路拓扑结构，涉及电源技术领域，温度控制技术领域，具体涉及一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统。
背景技术
在半导体器件研究、半导体激光器研发应用、以及生物医疗科学、天文观测设备、激光陀螺、精密仪器校准等众多领域中，精密可调恒温控制系统都是必不可少的技术支撑条件之一。
目前精密可调恒温控制多采用对TEC(半导体制冷片)的驱动控制实现，驱动控制的电路拓扑主要有双模(加热和制冷双模式)线性H桥换流拓扑和单模(制冷)Buck降压换流拓扑。
如图1所示，双模线性H桥换流拓扑的主要结构是由三极管Q2～Q5组成的H桥构成，其工作原理是利用TEC制冷片通电时一面制冷的同时另一面发热的特点，采用H桥功率管交替导通技术切换通过TEC的电流方向，从而选择加热或制冷模式，进行控制负载温度。双模线性H桥换流拓扑温控精度较高，但功率转换效率很低，因此只能输出较小的制冷量和加热量，对于大功率热负荷或者中大功率激光器而言，其温控功率和效率均无法满足要求。
如图2所示，单模Buck降压换流拓扑主要是由开关管Q6、电感L2、电容C2和二极管D2构成，其基本原理是采用Buck开关换流拓扑，根据温度信号变化，输出电功率驱动TEC，TEC在电功率的驱动下具有将热量从冷面抽运到热面的特性，从而将目标发热量抽运到散热器上。当TEC抽运热量与被控器件发热量达成动态平衡时，被控器件的温度就保持在恒定设定值上，由于控制精度与被控器件发热量相关，控制负载温度的稳定性精确度就很难保证。此外，当实际温度低于设定温度时，单模Buck降压换流拓扑只会停止制冷，此时实际温度低于设定温度，无法自行调整到设定温度值，这是当前单模制冷非线性Buck降压换流拓扑的主要缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑及其控制系统，该电路拓扑能够根据温度反馈信号动态地在Buck和Buck-Boost结构之间切换，从而实现输出电压电流方向的切换，使得TEC被驱动，工作在加热或制冷模式下。
为了达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑，其特征在于，该换流拓扑包括电源，与所述电源相连接的开关管，所述开关管通过电感和第二开关相连接，所述开关管的通断受到与其连接的开关驱动模块的控制；第四开关、电容和制冷片TEC并联后跨接在所述第二开关的另一端和电源负极之间；第一开关与二极管的阳极相连接后跨接在电源负极与所述电感的CA端之间；第三开关跨接于所述二极管的阳极与第四开关之间。
进一步，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的通断受到与其连接的换向驱动模块的控制。
进一步，所述开关管为三极管或者MOS管中的一种。
进一步，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关为三极管、MOS管、IGBT、或者继电器中的一种或者多种。
一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括
监测判断实际温度和设定温度，得到比较逻辑值；
检测换流拓扑的工作模块，判断当前工作模式；
根据所述比较逻辑值和当前模式判断的结果调整所述换流拓扑的工作状态。
进一步，所述换流拓扑的工作模块包括：
当所述换流拓扑的第一开关和第二开关闭合，第三开关和第四开关打开时，该电路拓扑变换为Buck换流拓扑进入制冷模式，在开关驱动模块的作用下输出正向可调节幅度的电压电流；当所述换流拓扑的第一开关和第二开关打开，第三开关和第四开关闭合时，该电路拓扑变换为Buck-Boost换流拓扑进入加热模式，在开关驱动模块的作用下输出负向可调节幅度的电压电流。
进一步，所述根据所述比较逻辑值和当前模式判断的结果调节所述换流拓扑的工作状态，包括以下步骤：
当比较逻辑值为实际温度大于设定温度时，当前模式为制冷模式时，则保持当前模式并调节制冷幅度；当前模式为加热模式时，则对所述换流拓扑的工作模式进行双向切换，将其切换为制冷模式；当前模式为不工作时，则驱动制冷模式；
当比较逻辑值为实际温度小于设定温度时，当前模式为加热模式时，则保持当前模式并调节加热幅度；当前模式为制冷模式时，则对所述换流拓扑的工作模式进行双向切换，将其切换为加热模式；当前模式为不工作时，则驱动加热模式；
当比较逻辑值为实际温度等于设定温度时，当前模式为加热模式或者制冷模式时，则关闭电流拓扑使其不工作；当前模式为不工作时，则保持不工作的状态。
进一步，所述换流拓扑切换为加热模式或者制冷模式，包括以下步骤：
首先关闭当前模式，通过过零检测模块检测负载电流是否归零，当负载电流为零时将所述电流拓扑的工作模式进行切换，所述电流拓扑能够从加热模式切换到制冷模式，也能够从制冷模式切换到加热模式。
进一步，所述保持当前切换模式并调节加热或者制冷幅度，还包括以下步骤：
取实际温度和设定温度的差值绝对值，通过PID调节和PWM调节对其PWM信号的占空比进行调节，进而控制所述电流拓扑的输入信号，调节TEC的制冷量或者加热量的大小；对所述PWM信号的占空比的调节独立于所述换流拓扑的工作模式进行双向切换的过程。
一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制系统，其特征在于，包括
用于采集实际温度的温度传感器；
用于将所述设定温度与实际温度进行比较得到比较逻辑值的比较模块；
用于检测判断当前所述换流拓扑工作模式的模式判断模块；
用于根据所述比较逻辑值和当前模式判断模块的结果调节所述换流拓扑工作模式的模式调节模块；和
用于控制所述换流拓扑是否工作的开关驱动模块。
进一步，所述模式调节模块包括保持当前模式模块，所述保持当前模式模块还包括：
用于将所述实际温度与设定温度进行比较得到差值绝对值的差值模块；
用于对所述差值绝对值进行调节控制的PID调节模块；和
用于根据所述差值绝对值和所述当前模式进行调节所述开关驱动模块PWM信号的占空比的PWM调节模块。
进一步，所述模式调节模块包括换向驱动模块，所述换向驱动模块还包括：
在切换工作模式时，用于检测负载电压为零时控制所述换向驱动模块切换工作模式的过零检测模块。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明能高效率大功率输出并驱动TEC，本发明的Buck/Buck-Boost双模换流电路拓扑可根据温度信号动态地变换为Buck换流拓扑或Buck-Boost换流拓扑，而Buck换流拓扑和Buck-Boost换流拓扑都是可输出大功率且同时高效率转换的换流拓扑，因此本发明能够高效率大功率输出并驱动TEC对负载加热或制冷。
2、本发明能够根据实际温度的变化自动变换输出电压电流的方向，从而使得TEC在实际温度低于设定温度时工作在加热状态，实际温度高于设定温度时工作在制冷状态。
3、本发明的Buck/Buck-Boost双模换流拓扑是一种新型非线性开关换流拓扑，具有电路拓扑上的创新性，该拓扑既可输出正电压电流，也可输出负电压电流，这是目前其他电路拓扑不具备的能力。
4、本发明的Buck/Buck-Boost双模换流拓扑既可动态调节输出电压的方向，也可同时动态独立调节Buck模式下的占空比和Buck-Boost模式下的占空比，从而独立调节正向输出电压和负向输出电压的幅度，输出电压方向和幅度之间没有关联约束。
5、本发明引入一种多功能开关电路S1～S4，该开关可根据反馈信号切换变化，从而可实现从Buck换流拓扑变化到Buck-Boost换流拓扑，或从Buck-Boost换流拓扑变化到Buck换流拓扑。此种多功能开关电路具有电路上的创新性。
6、本发明引入的多功能开关S1～S4，可通过继电器、三极管、MOS管、IGBT等机械、电子器件实现，从而满足不同功率、切换速度的要求，具有广泛的适用性。
7、本发明的Buck/Buck-Boost双模换流拓扑控制方法不同于一般温度反馈调节，本发明控制方法结合了温度方向判断，具有既能加热又能制冷的功能。
8、本发明的Buck/Buck-Boost双模换流拓扑控制方法不同于一般温度反馈调节，本发明控制方法结合了PID调节和PWM调节，具有既能获得较好的温度精度控制，又具有高效能量转换和高功率输出的特征。
9、本发明的Buck/Buck-Boost双模换流拓扑控制方法不同于一般温度反馈调节，本发明采用将温度判断和输出电压过零监测方法相结合的方式，实现了Buck和Buck-Boost两种模式的软切换，避免了突变切换引起的浪涌电压和电流。
附图说明
图1为现有技术中的双模加热制冷线性H桥换流拓扑原理图；
图2为现有技术中的单模制冷非线性Buck降压换流拓扑原理图；
图3为本发明的电路原理图；
图4为本发明的切换为Buck电路的等效原理图；
图5为本发明的切换为Buck-Boost电路的等效原理图；
图6为本发明的开关S1～S4采用三极管的电路原理图；
图7为本发明的开关S1～S4采用MOS管的电路原理图；
图8为本发明的判断加热制冷的工作流程图；
图9为本发明的Buck模式为加热的工作流程图；
图10为本发明的调节温度的工作流程图；
图11为本发明的控制系统的结构示意图；
图12为本发明的控制系统的模式调节流程示意图。
图中：1-温度传感器、2-比较模块、3-PID调节模块、4-PWM调节模块、5-开关驱动模块、6-换流拓扑、7-差值模块、8-换向驱动模块、9-过零检测模块。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图来详细说明本发明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本发明的保护范围并不限于此。
如图3所示，一种非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑，该换流拓扑包括电源DC，与所述电源DC相连接的开关管Q1，所述开关管Q1通过电感L1和第二开关S2相连接，所述开关管Q1的通断受到与其相连接的开关驱动模块的输出信号的控制。第四开关S4、电容C1和制冷片TEC并联后跨接在所述第二开关S2的另一端和电源DC的负极之间；第一开关S1与二极管D1的阳极DA相连接后跨接在电源DC的负极与所述电感的CA端之间；第三开关S3跨接于所述二极管D1的阳极DA与第四开关S4之间。
该电路的工作过程如下：
1、当第一开关S1和第二开关S2闭合，第三开关S3和第四开关S4打开时，该电路拓扑变换为Buck换流拓扑，可以正向输出电压U0驱动TEC制冷工作，电流方向为由制冷片的A点到B点。其等效原理图如图4所示。
开关管Q1在开关驱动模块所输出的输出信号为控制脉冲信号control的高速驱动下时开时关，所述控制脉冲信号control为PWM信号。当控制脉冲信号control为高电平时，电源DC通过导通的开关管Q1对电感L1充电，电感L1的放电电流向电容C1和负载TEC正向放电，负载TEC的输出电流方向为A到B；当控制脉冲信号control为低电平时，电感L1通过二极管D1续流，继续向电容C1和负载TEC放电。
设当控制脉冲信号control为高电平时为Ton，Ton阶段时电感电流线性上升，其增量为：
式中：ΔiL——电流增量(A)；VS——输入电流电压，也即DC电源的电压值(V)；V0——输出电压(V)；L——电感(H)；TS——开关周期(S)；D1——开关接通时间占空比；t1——Ton阶段充电结束的时刻(S)。
设当控制脉冲信号control为低电平时为Toff，Toff阶段时电感电流线性放电，其电流增量为：
式中：t2——Toff阶段放电结束的时刻(S)；
D2——开关关断时间占空比；
由于在稳态时充放电电荷守恒，即ΔiL1＝|ΔiL2|，所以：
由于D1+D2＝1，所以有：
V0＝VSD1 (1.4)
2、当第三开关S3和第四开关S4闭合，第一开关S1和第二开关S2打开时，该电路拓扑就变换为Buck-Boost结构，输出电流的方向翻转，电流方向为由制冷片的B点到A点，此时输出电压U0驱动TEC加热工作。其等效原理图如图5所示。
开关管Q1在开关驱动模块所输出的输出信号为控制脉冲信号control的高速驱动下时开时关，当控制脉冲信号control为高电平时，电源DC通过导通的开关管Q1对电感L1充电，电流方向为CA到LA，当控制脉冲信号control为低电平时，电感L1通过二极管D1续流，反向向电容C1和负载TEC放电，负载TEC的电流方向为B到A。
采用对Buck换流拓扑分析同样的方法，同样设开关管Q1导通占空比为D1，二极管D1导通占空比等于开关关断时间占空比D2，按稳态时充放电电荷守恒，同样有：
得到其传递函数为：
根据式(1.4)和(1.6)可建立Buck/Buck-Boost换流拓扑的传递函数如式(1.7)，该传递函数表征了Buck/Buck-Boost换流拓扑的双模切换特征：
其中，TL为实际温度；TS为开关周期(S)；D为开关接通时间占空比，也是电感充电占空比；M为输出电压和输入电压的传递函数。
本发明引入了开关S1～S4，使得两种换流拓扑可以双向切换，从而使得输出电压电流的方向可以变换，在正向驱动TEC时,TEC为制冷模式，反向驱动TEC时，TEC为加热模式，因此不管实际温度高于设定温度还是低于设定温度，都可以将实际温度控制到设定温度。
优选的，本发明能够根据需要采用不同占空比分别在Buck模式和Buck-Boost模式下驱动，使得输出正向电压和反向电压可调，从而在输出端得到方向可选择，大小可调节的输出电压。
优选的，所述开关管Q1为三极管或者场效应管中的一种。
优选的，当S1～S4采用三极管作为开关时，如图6所示，图6中示意采用了NPN三极管，但本发明不限于采用NPN三极管，也可以采用PNP三极管或者其他可以实现同等功能的开关管。
优选的，当S1～S4采用MOS管作为开关时，如图7所示，图7中示意采用了N沟道MOS管,但本发明不限于采用N沟道MOS管，也可以采用P沟道MOS管或者其他可以实现同等功能的开关管。
优选的，S1～S4还可以采用继电器作为开关，但本发明不限于采用机械继电器，也可以是固态继电器或者其他可以实现同等功能的继电器。
一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，该控制方法包括采集实际温度并将该实际温度和设定温度进行比较得到比较逻辑值，将该比较逻辑值的结果输入到换向驱动模块后控制上述Buck/Buck-Boost换流拓扑工作在Buck模式或者Buck-Boost模式下，其工作流程图如图8所示。所述比较逻辑值的结果为大于、小于或者等于。
当实际温度高于设定温度时，比较逻辑值的结果为大于，此结果控制换向驱动模块控制第一开关S1和第二开关S2闭合，第三开关S3和第四开关S4打开，此时非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑切换到Buck模式，此时输出电压为正向，TEC工作模式为制冷。
当实际温度低于设定温度时，比较逻辑值的结果为小于，此结果控制换向驱动模块控制第一开关S1和第二开关S2打开，第三开关S3和第四开关S4闭合，此时非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑切换到Buck-Boost模式，此时输出电压为反向，TEC工作模式为加热。
当实际温度等于设定温度时，比较逻辑值的结果为等于，此结果控制换向驱动模块控制非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑切换到停止工作模式，此时输出电压为零，TEC工作模式为既不加热也不制冷。
优选的，当比较逻辑值的结果为大于时，可以设计为比较逻辑值信号控制该换流拓扑切换到Buck-Boost模式，输出电压为正向，此时比较逻辑值提取判断控制流程图如图9所示；也可以选择设计为比较逻辑值信号控制该换流拓扑切换到Buck模式，输出电压为反向。同时正向电压为加热还是反向电压为加热都可以根据自身的需求进行选择设置。
优选的，一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，该控制方法还包括采集实际温度并对实际温度和设定温度进行差值绝对值计算，对此值进行PID调节，进一步对Buck模式或Buck-Boost模式下的脉宽进行调节控制(PWM(Pulse widthmodulation))，其控制流程图如图10所示。
对实际温度和设定温度进行差值绝对值计算的结果，进入PID反馈调节，PID反馈调节计算的结果，进入Buck模式下的PWM调节，或Buck-Boost模式下的PWM调节，从而调节正向输出电压的大小或反向输出电压的大小，由此调节TEC制冷量大小或加热量大小。当TEC的实际温度等于设定温度时，停止制冷量或者加热量的调节，保持当前实际温度即可。
Buck模式是正向电压输出还是反向电压输出，正向电压是用于制冷模式还是加热模式，均可根据需求进行设置。所述Buck/Buck-Boost换流拓扑的输出电压电流方向和幅度没有关联约束；也就是说，输出电压电流的方向切换和输出电压电流的幅度调节是没有关联关系的，换句话说，PWM信号的占空比的调节与上述换流拓扑的工作模式的相互切换之间是相互独立的过程，互不影响。例如上述换流拓扑能够自由切换到加热模式或者制冷模式，同时自由地调节加热电压或者制冷电压的幅度，从而调节加热量或者制冷量的大小。
优选的，一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，Buck-Boost模式和Buck模式之间可以进行相互切换，在切换过程中必须对输出电压电流进行过零检测，只有输出为零时才可以切换模式，从而避免浪涌电压电流。
假设当比较逻辑值的结果为大于时，表示实际温度高于设定温度，需降温；当比较逻辑值的结果为小于时，表示实际温度低于设定温度，需升温；当比较逻辑值的结果为等于时，表示实际温度等于设定温度，温度适中。输出电压电流的过流检测控制流程图如图12所示，温度切换的规则如下：
1、当比较逻辑值的结果为大于时，实际温度高于设定温度：
若当前模式为制冷模式，保持制冷模式，并调节制冷量。
若当前模式为加热模式，则需要切换工作模式，对所述换流拓扑的工作模式进行双向切换，关闭加热模式，并等待判断负载输出电压归零，进行工作模式切换，启动制冷模式并调节制冷量。
若当前模式为不工作，则启动制冷模式并调节制冷量。
2、当比较逻辑值的结果为小于时，实际温度低于设定温度：
若当前模式为制冷模式，则需要切换工作模式，对所述换流拓扑的工作模式进行切换，关闭制冷模式，并等待判断负载输出电压归零，进行工作模式切换，启动加热模式并调节加热量。
若当前模式为加热模式，保持加热模式，并调节加热量。
当前模式为不输出，则启动加热模式并调节加热量。
3、当比较逻辑值的结果为等于，实际温度等于设定温度：
若当前模式为不工作，则保持不工作模式。
若当前模式为制冷模式，则关断制冷模式。
若当前模式为加热模式，则关断加热模式。
如图11所示，一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制系统，该控制系统包括温度传感器、比较模块、模式判断模块、模式调节模块和开关驱动模块；所述温度传感器检测实际温度并将检测到的实际温度传递给比较模块，所述比较模块将实际温度与设定温度做比较后得到比较逻辑值，所述模式判断模块根据所述换流拓扑中开关S1～S4的触发状态来判断当前的工作模式，所述模式调节模块根据所述比较逻辑值和当前模式判断模块的结果切换所述换流拓扑工作模式，所述开关驱动模块能够控制所述换流拓扑的输出幅度。
优选的，所述温度传感器为热敏电阻或者其他能够检测温度的元器件或者电路模块。
优选的，所述比较模块为电压比较器或者其他能够实现电压信号的比较并得到信号检测值的硬件电路。
优选的，所述开关驱动模块采用三极管或者场效应管中，或者其他能够实现开关功能的硬件元器件或者硬件电路。
优选的，该控制系统的模式调节模块还包括保持当前模式模块，保持当前模式模块还包括用于将所述实际温度和设定温度进行比较得到差值绝对值的差值模块；将所述差值绝对值经过PID调节模块进行PID调节后，利用模式判断模块判断当前模式是Buck模式还是Buck-Boost模式，根据所述差值绝对值和当前工作模式，进而通过PWM调节模块对所述换流拓扑的开关管Q1的输出的PWM信号的占空比进行调节，进而调节负载的实际温度。
优选的，该控制系统的模式调节模块包括换向驱动模块，所述换向驱动模块分别与上述换流拓扑中的开关S1～S4耦合，所述换向驱动模块通过驱动开关S1～S4来驱动上述换流拓扑切换工作模式；
优选的，所述换向驱动模块还包括在切换模式时，用于检测负载电压为零时控制所述换向驱动模块切换工作模式的过零检测模块。
优选的，所述换向驱动模块采用模数转换模块或者电源芯片，或者其他能够实现将比较逻辑值的模拟信号转换为PWM信号的硬件电路。
优选的，所述过零检测模块采用光电耦合器组成的过零检测电路，或者其他能够实现过零检测功能的硬件电路。
优选的，本发明还可以采用软硬件结合的方式实现。上述换流拓扑结构的开关管Q1和开关S1～S4的换向判断信号均由单片机程序完成并从单片机I/O口输出，所述过零检测模块、PWM调节模块、PID调节模块、差值绝对值模块和比较模块均可以通过单片机软件控制实现。
温度传感器将采集到的温度信号传输给单片机，单片机根据采集到的实际温度与设定的温度信号做比较得到比较逻辑值。通过监测上述换流拓扑的开关管Q1和开关S1～S4的触发状态来判断当前的工作模式。根据当前工作模式和比较逻辑值来调整换流拓扑的开关管Q1和开关S1～S4的触发状态，进而调节其换流拓扑的工作状态。当需要加大制冷量或者加大加热量时，需要通过调节开关管Q1输入的PWM信号的占空比来实现；将实际温度与设定的温度信号做差取其绝对值得到其差值绝对值后，通过软件PID调节计算和PWM调节计算，进而调控温度。当需要切换工作模式时，需要在检测到负载电压为零时，驱动切换工作模式。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑，其特征在于，该换流拓扑包括电源，与所述电源相连接的开关管，所述开关管通过电感和第二开关相连接，所述开关管的通断受到与其连接的开关驱动模块的控制；第四开关、电容和制冷片TEC并联后跨接在所述第二开关的另一端和电源负极之间；第一开关与二极管的阳极相连接后跨接在电源负极与所述电感的CA端之间；第三开关跨接于所述二极管的阳极与第四开关之间。
2.根据权利要求1所述的一种非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑，其特征在于，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关为三极管、MOS管、IGBT、或者继电器中的一种或者多种，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的通断受到与其连接的换向驱动模块的控制。
3.一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括
监测判断实际温度和设定温度，得到比较逻辑值；
检测换流拓扑的工作模式，判断当前工作模式；
根据所述比较逻辑值和当前模式判断的结果调整所述换流拓扑的工作状态。
4.根据权利要求3所述的一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，其特征在于，所述换流拓扑的工作模式包括：
当所述换流拓扑的第一开关和第二开关闭合，第三开关和第四开关打开时，该电路拓扑变换为Buck换流拓扑进入制冷模式，在开关驱动模块的作用下输出正向可调节幅度的电压电流；当所述换流拓扑的第一开关和第二开关打开，第三开关和第四开关闭合时，该电路拓扑变换为Buck-Boost换流拓扑进入加热模式，在开关驱动模块的作用下输出负向可调节幅度的电压电流。
5.根据权利要求3所述的一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，其特征在于，所述根据所述比较逻辑值和当前模式判断的结果调节所述换流拓扑的工作状态，包括以下步骤：
当比较逻辑值为实际温度大于设定温度时，当前模式为制冷模式时，则保持当前模式并调节制冷幅度；当前模式为加热模式时，则将所述换流拓扑切换为制冷模式并调节制冷幅度；当前模式为不工作时，则启动制冷模式并调节制冷幅度；
当比较逻辑值为实际温度小于设定温度时，当前模式为加热模式时，则保持当前模式并调节加热幅度；当前模式为制冷模式时，则将所述换流拓扑切换为加热模式并调节加热幅度；当前模式为不工作时，则启动加热模式并调节加热幅度；
当比较逻辑值为实际温度等于设定温度时，当前模式为加热模式或者制冷模式时，则关闭电流拓扑使其不工作；当前模式为不工作时，则保持不工作的状态。
6.根据权利要求5所述的一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制系统的控制方法，其特征在于，所述换流拓扑切换为加热模式或者制冷模式，包括以下步骤：
首先关闭当前模式，通过过零检测模块检测负载电流是否归零，当负载电流为零时将所述电流拓扑的工作模式进行切换，所述电流拓扑能够从加热模式切换到制冷模式，也能够从制冷模式切换到加热模式。
7.根据权利要求5所述的一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制系统的控制方法，其特征在于，所述保持当前切换模式并调节加热或者制冷幅度，还包括以下步骤：
取实际温度和设定温度的差值绝对值，通过PID调节和PWM调节对其PWM信号的占空比进行调节，进而控制所述电流拓扑的输入信号，调节TEC的制冷量或者加热量的大小；对所述PWM信号的占空比的调节独立于所述换流拓扑的工作模式进行双向切换的过程。
8.一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制系统，其特征在于，包括
用于采集实际温度的温度传感器；
用于将所述设定温度与实际温度进行比较得到比较逻辑值的比较模块；
用于检测判断当前所述换流拓扑工作模式的模式判断模块；
用于根据所述比较逻辑值和当前模式判断模块的结果调节所述换流拓扑工作模式的模式调节模块；和
用于控制所述换流拓扑是否工作的开关驱动模块。
9.根据权利要求8所述的一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制系统，其特征在于，所述模式调节模块包括保持当前模式模块，所述保持当前模式模块还包括：
用于将所述实际温度与设定温度进行比较得到差值绝对值的差值模块；
用于对所述差值绝对值进行调节控制的PID调节模块；和
用于根据所述差值绝对值和所述当前模式进行调节所述开关驱动模块PWM信号的占空比的PWM调节模块。
10.根据权利要求8所述的一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制系统，其特征在于，所述模式调节模块包括换向驱动模块，所述换向驱动模块还包括：
在切换工作模式时，用于检测负载电压为零时控制所述换向驱动模块切换工作模式的过零检测模块。
CN201810502989.4A 2018-05-23 2018-05-23 一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统 Active CN108494249B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810502989.4A CN108494249B (zh) 2018-05-23 2018-05-23 一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810502989.4A CN108494249B (zh) 2018-05-23 2018-05-23 一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108494249A true CN108494249A (zh) 2018-09-04
CN108494249B CN108494249B (zh) 2023-08-04

Family

ID=63352103

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810502989.4A Active CN108494249B (zh) 2018-05-23 2018-05-23 一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108494249B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109861532A (zh) * 2019-03-01 2019-06-07 中国第一汽车股份有限公司 一种dc/dc变换器及基于其的整车控制方法
CN114253384A (zh) * 2021-12-21 2022-03-29 中科国微科技(深圳)有限公司 单片式隔离稳压电源
US20220104387A1 (en) * 2020-09-29 2022-03-31 Baidu Usa Llc Thermal management system for electronic components with thermoelectric element
EP4024691A1 (en) * 2021-01-05 2022-07-06 SolarEdge Technologies Ltd. Method and apparatus for bypass and shutdown of a power device
CN116048156A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 江苏三联生物工程股份有限公司 一种电化学发光检测装置双向控温系统
CN117767754A (zh) * 2024-02-19 2024-03-26 成都芯正微电子科技有限公司 一种双极性Buck输出正负可调控电流电路

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005045943A (ja) * 2003-07-23 2005-02-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd 昇降圧ｄｃ−ｄｃコンバータ
CN102035386A (zh) * 2009-09-29 2011-04-27 旭隼科技股份有限公司 升降压转换装置及其操作方法
WO2016188300A1 (zh) * 2015-10-22 2016-12-01 中兴通讯股份有限公司 基于buck拓扑的开关电源控制电路及太阳能控制器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005045943A (ja) * 2003-07-23 2005-02-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd 昇降圧ｄｃ−ｄｃコンバータ
CN102035386A (zh) * 2009-09-29 2011-04-27 旭隼科技股份有限公司 升降压转换装置及其操作方法
WO2016188300A1 (zh) * 2015-10-22 2016-12-01 中兴通讯股份有限公司 基于buck拓扑的开关电源控制电路及太阳能控制器

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109861532A (zh) * 2019-03-01 2019-06-07 中国第一汽车股份有限公司 一种dc/dc变换器及基于其的整车控制方法
CN109861532B (zh) * 2019-03-01 2024-05-03 中国第一汽车股份有限公司 一种dc/dc变换器及基于其的整车控制方法
US20220104387A1 (en) * 2020-09-29 2022-03-31 Baidu Usa Llc Thermal management system for electronic components with thermoelectric element
US11765862B2 (en) * 2020-09-29 2023-09-19 Baidu Usa Llc Thermal management system for electronic components with thermoelectric element
EP4024691A1 (en) * 2021-01-05 2022-07-06 SolarEdge Technologies Ltd. Method and apparatus for bypass and shutdown of a power device
CN114253384A (zh) * 2021-12-21 2022-03-29 中科国微科技(深圳)有限公司 单片式隔离稳压电源
CN116048156A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 江苏三联生物工程股份有限公司 一种电化学发光检测装置双向控温系统
CN116048156B (zh) * 2023-01-10 2024-01-30 江苏三联生物工程股份有限公司 一种电化学发光检测装置双向控温系统
CN117767754A (zh) * 2024-02-19 2024-03-26 成都芯正微电子科技有限公司 一种双极性Buck输出正负可调控电流电路
CN117767754B (zh) * 2024-02-19 2024-05-10 成都芯正微电子科技有限公司 一种双极性Buck输出正负可调控电流电路

Also Published As

Publication number Publication date
CN108494249B (zh) 2023-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108494249A (zh) 一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统
WO2020135734A1 (zh) 电池加热系统及其控制方法
CN107078732A (zh) 使用多个电流决定开关模式操作混合功率器件的方法和系统
CN106716832A (zh) 使用执行间接瞬时负载电流感测的驱动器电路操作混合功率器件的方法和系统
CN107911907A (zh) Led驱动电路、功率变换器和控制方法
CN105940601B (zh) 热电发电装置以及热电发电方法
CN106452040B (zh) 启动电路
WO2017166956A1 (zh) 单相交错式pfc电路和具有其的车载充电器及电动汽车
CN110391744A (zh) 混合开关电容器转换器的轻载效率改进
CN103475061A (zh) 光伏智能控制器
CN107579429B (zh) 半导体激光器及其温度控制方法
CN2713524Y (zh) 喇曼光纤放大器的温度控制装置
CN101582640A (zh) 一种高效率低电磁干扰电源变换器
CN108241388A (zh) 温度控制方法、系统及装置
CN110262589A (zh) 一种tec温控驱动电路及其控制策略
CN101221450B (zh) 仪器用恒温装置
CN206960984U (zh) 一种基于脉冲宽度调制的量子光学模块温度控制装置
CN107819408A (zh) 电源开关装置的分段式温度补偿
Mönch et al. A 99.74% efficient capacitor-charging converter using partial power processing for electrocalorics
Chen et al. A high power density 75kva air-cooled sic intelligent power stage (ips) as a universal building block for grid applications
CN111799530A (zh) 加热器功率闭环控制系统及功率闭环控制方法
CN115133520B (zh) 适用于光储一体化系统的蓄电池能量协调控制方法
US7215040B2 (en) Half-bridge converter with zero-voltage switching and snubber
CN110171018A (zh) 机器人电机启动控制装置
CN112327967B (zh) 一种功率器件的温度控制装置、方法和电器设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant