CN109787473B - 一种升压型变换器双缘调制输出电压控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升压型变换器双缘调制输出电压控制方法及装置。在每个开关周期开始时刻采样输出电压，将输出电压和参考电压值输入到占空比产生器中生成占空比控制信号D_n；将三角载波信号V_tra和占空比控制信号进行比较，生成占空比信号V_d；再将占空比信号输入到驱动电路中，生成开关管驱动信号，采用一个导通时间和两个关断时间，每个周期依次采用关断、导通、关断组成的控制时序，控制升压型变换器开关管的关断与导通。本发明可用于控制Boost变换器、二次型Boost变换器等升压型开关变换器，其有益效果在于，无需补偿网络，控制简单，精度较高，能在全占空比范围内稳定工作，无次谐波振荡，瞬态响应速度快。

Description

一种升压型变换器双缘调制输出电压控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电力电子设备领域，特别是一种升压型变换器双缘调制输出电压控制方法及装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，电力电子装置越来越广泛的被运用于各种用电装置中，用户对电力电子装置的稳定性和瞬态性能要求也越来越高。升压型变换器作为一种常见的开关变换器，常被用于各种供电电路中。

升压型变换器的控制方法分为变频控制和定频控制。相比于变频控制，采用定频控制方式的升压型变换器工作频率固定，滤波器设计容易，重载效率高，稳压精度好。在定频控制中，最常用的是传统的脉冲宽度调制(PWM)电压型控制，其控制原理为：将输出电压和参考电压的差值输入到误差放大器中生成控制信号，再与固定载波比较产生占空比信号，然后通过驱动电路控制开关管的导通和关断，实现开关变换器输出电压调节。传统电压型控制具有结构简单，控制精度高的优点，但负载响应速度慢，难以满足用户对负载响应速度越来越高的要求，且电压型控制的升压型变换器(如Boost变换器)存在右半平面零点(RHZ)问题，增大了误差放大器补偿环节设计难度。峰值电流控制和谷值电流控制改善了系统的输入瞬态性能，但负载响应速度没有改善，且两种控制方式分别在占空比大于0.5和小于0.5时会出现次谐波振荡或低频振荡等不稳定情况；斜坡补偿可以增大稳态占空比范围，但会降低系统的瞬态响应性能。平均电流控制提高了电流的控制精度，且抗干扰性强，但负载瞬态响应速度比峰值电流控制和谷值电流控制慢；V²控制提高了负载响应速度，但占空比大于0.5时仍然会出现次谐波振荡或低频振荡。

发明内容

本发明的目的是提供一种升压型变换器的控制方法及其装置，使之同时具有全占空比范围的稳定性、较高稳压精度和快速的瞬态响应速度，适用于多种升压型变换器拓扑。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案如下：

一种升压型变换器双缘调制输出电压控制方法，包括在每个开关周期开始时刻，检测升压型变换器的输出电压V_o；

将输出电压V_o和预设的参考电压V_ref、常系数K₁＝1/[(m₁+m₂)T_s]和常系数K₂＝m₁/(m₁+m₂)输入到占空比产生器中，生成占空比控制信号D_n＝K₁(V_ref-V_o)+K₂；其中，m₁＝(V_o-V_in)R_e/L，m₂＝V_inR_e/L，V_in是升压型变换器的输入电压，R_e是升压型变换器的输出电容等效串联电阻，L是升压型变换器的电感，T_s是开关周期；

将占空比控制信号D_n和三角波产生器的输出信号输入到比较器中得到占空比信号V_d；

再将占空比信号V_d输入到驱动电路中得到驱动控制信号V_p，控制升压型变换器开关管的导通与关断。

一种升压型变换器双缘调制输出电压控制装置，包括依次连接的电压检测电路VS、占空比产生器DM、比较器COM和驱动电路DR；所述电压检测电路VS的输入端连接到升压型变换器的输出端，驱动电路DR的输出端连接到升压型变换器的开关管；还包括三角波产生器TG，三角波产生器TG的输出端分别连接到电压检测电路VS和比较器COM；所述占空比产生器DM包括依次连接的减法器SUB、乘法器MUL和加法器ADD。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、与传统电压型控制的升压型变换器相比，本发明的升压型变换器在负载发生变化时，通过占空比产生器快速、有效地调整每个开关周期内开关管导通与关断时间，使输出电压快速回到设定的参考值上，提高了升压型变换器的负载瞬态性能。

二、与电流型控制的升压变换器相比，本发明的升压型变换器在全占空比范围内均能稳定工作，无次谐波振荡或者低频振荡，同时具有更快的负载响应速度。

三、控制器无需误差放大器，简化了控制环路的设计，控制简单，增强了系统稳定性和瞬态响应能力。

附图说明

图1为本发明的信号流程框图。

图2为本发明实施例一的电路结构框图。

图3为本发明的占空比产生器DM的信号流程图。

图4为本发明实施例一中，输出电压、电压基准值、采样信号、开关管驱动信号之间的关系示意图。

图5为采用本发明的升压型变换器的输出电压时域仿真波形。

图6a为采用传统电压型控制的升压型变换器在负载由1A跳变至3A时的输出电压瞬态时域仿真调节波形。

图6b为采用电流型控制的升压型变换器在负载由1A跳变至3A时的输出电压瞬态时域仿真调节波形。

图6c为采用本发明的升压型变换器在负载由1A跳变至3A时的输出电压瞬态时域仿真调节波形。

图7a为采用峰值电流控制的升压型变换器在占空比大于0.5时的输出电压和电感电流时域仿真波形。

图7b为采用本发明的升压型变换器在占空比大于0.5时的输出电压和电感电流时域仿真波形。

图8a为采用谷值电流控制的升压型变换器在占空比小于0.5时的输出电压和电感电流时域仿真波形。

图8b为采用本发明的升压型变换器在占空比小于0.5时的输出电压和电感电流时域仿真波形。

图9为本发明实施例二的电路结构框图。

具体实施方式

下面通过具体的实例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

控制方法中，预设两个常系数K₁、K₂，其中K₁＝1/[(m₁+m₂)T_s]，K₂＝m₁/(m₁+m₂)，T_s为开关周期，m₁、m₂是与电感电流纹波和输出电容等效串联电阻(ESR)相关的系数；在每个开关周期开始时刻关断开关管，同时采样输出电压，将输出电压采样值V_o和参考电压值V_ref相减，再乘以系数K₁，得到信号f；将信号f与系数K₂相加之后，生成占空比控制信号D_n，即D_n＝K₁(V_ref-V_o)+K₂；将信号D_n和三角波信号V_tra分别输入到比较器中，得到占空比信号V_d；再将占空比信号V_d输入到驱动电路中，生成驱动控制信号V_p；其低电平均分解成两个相等的关断时间，根据一个导通时间和两个关断时间，每个周期依次采用关断、导通、关断组成的控制时序，控制升压型变换器开关管的关断与导通。

控制装置由电压检测电路VS、占空比产生器DM、三角波产生器TG、比较器COM以及驱动电路DR组成；电压检测电路VS、占空比产生器DM、比较器COM以及驱动电路DR依次相连；三角波产生器TG与电压检测电路VS和比较器COM分别相连。占空比产生器DM由减法器SUB、乘法器MUL和加法器ADD组成；减法器SUB、乘法器MUL、加法器ADD依次相连；输出电压值V_o和参考电压值V_ref分别输入到减法器SUB的负端和正端；减法器的输出和系数K₁作为乘法器MUL的输入；乘法器的输出和系数K₂作为加法器ADD的输入。占空比产生器DM的输出和三角波产生器TG分别与比较器COM的负端和正端相连。

实施例一

图1示出，本发明的一种具体实施方式为：升压型变换器双缘调制输出电压控制方法及其装置，包括电压检测电路VS、占空比产生器DM、三角波产生器TG、比较器COM以及驱动电路DR组成；电压检测电路VS用于获得升压型变换器的输出电压信息V_o，占空比产生器DM用于产生占空比控制信号D_n，三角波产生器TG用于生成三角载波信号V_tra，比较器COM用于产生占空比信号V_d，驱动电路DR用于产生驱动控制信号V_p，控制升压型变换器TD开关管的导通和关断。

其工作过程为，将V_o和预设的参考电压值V_ref输入到占空比产生器中，再结合预设的常数值K₁，K₂，计算得到占空比控制信号D_n，将D_n和三角波产生器TG的输出信号V_tra分别输入到比较器的正输入端和负输入端，生成占空比信号V_d，再占空比信号V_d输入到驱动电路DR中，生成用于控制升压型变换器开关管导通和关断的驱动控制信号V_p。

图2示出，本例的升压型变换器双缘调制输出电压控制的实现装置，由升压型变换器TD和控制装置组成。

本例的装置其工作过程是：每个开关周期开始时刻，开关管关断，同时采样变换器的输出电压值；将得到的输出电压值V_o和设定的参考电压值V_ref、常系数K₁＝1/[(m₁+m₂)T_s]、K₂＝m₁/(m₁+m₂)输入到占空比产生器中，生成占空比控制信号D_n＝K₁(V_ref-V_o)+K₂；将占空比控制信号D_n和三角波产生器的输出信号输入到比较器中得到占空比信号V_d；再将占空比信号V_d输入到驱动电路中得到驱动控制信号V_p，控制升压型变换器开关管的导通与关断。上述m₁、m₂是与电感电流纹波和输出电容等效串联电阻R_e相关的系数，满足m₁＝(V_o-V_in)R_e/L，m₂＝V_inR_e/L。

图3示出，本发明的占空比产生器DM的信号流程图，图中：采样得到的输出电压值V_o和设定的参考电压值V_ref分别输入到减法器SUB的负输入端和正输入端，减法器的输出值和系数K₁作为乘法器MUL的输入，其输出值和系数K₂分别输入到加法器ADD中，得到占空比控制信号D_n。

图4为本发明实施例一的输出电压、电压基准值、采样信号、开关管驱动信号之间的关系示意图。

本例的升压型变换器TD为Boost变换器。

图5为采用本发明的Boost变换器输出电压的时域仿真波形图。从图5中可以看出，采用本发明的输出电压纹波在开关管关断期间的均值等于设定参考值。因此，本发明的Boost变换器具有较高的输出电压控制精度。仿真条件：输入电压V_in＝3.3V、输出参考电压V_ref＝5V、电感L＝21μH、电容C＝500μF(其ESR为80mΩ)、开关周期T_s＝20μs。

图6a、图6b和图6c分别为采用传统电压型控制、平均电流型控制和本发明的Boost变换器在负载突变时的输出电压的时域仿真波形图，变换器仿真条件与图5相同。在图6a、图6b、图6c中，在5ms时负载由1A阶跃跳变至3A，采用传统电压型控制经过约2.6ms后才能恢复到稳态值，输出电压纹波峰峰值波动约为1050mV；采用电流型控制经过约2.4ms后恢复到稳态值，输出电压纹波峰峰值波动约为1200mV，因此平均电流型控制不能改善负载响应速度；采用本发明的Boost变换器可快速恢复到稳态值，调节时间为0.2ms，输出电压纹波峰峰值波动约为520mV。可见本发明的Boost变换器具有很好的负载瞬态性能。

图7a和图7b分别为采用峰值电流控制和本发明的升压型变换器在占空比大于0.5时的输出电压和电感电流时域仿真波形，输出电压参考值预设为7V,变换器其它仿真条件与图5相同。由图7a和图7b可知，峰值电流控制下的Boost变换器工作波形出现了次谐波振荡现象，输出电压纹波约为500mV，电感电流纹波约为3.8A；而采用本发明的Boost变换器工作波形无次谐波振荡现象产生，输出电压纹波约为350mV，电感电流纹波为1.4A。因此，本发明具有更宽的占空比范围。

图8a和图8b分别为采用谷值电流控制和本发明的升压型变换器在占空比小于0.5时的输出电压和电感电流时域仿真波形，输出电压参考值预设为6V，变换器其它仿真条件与图5相同。由图8a和图8b可知，谷值电流控制下的Boost变换器工作波形出现次谐波振荡，输出电压纹波约为400mV，电感电流纹波约为3.2A；而采用本发明的Boost变换器工作波形无次谐波振荡现象产生，输出电压纹波约为330mV，电感电流纹波为1.5A。因此，本发明具有更宽的占空比范围。

实施例二

如图9所示，本例与实施例一基本相同，不同之处是：本例控制的变换器TD为二次型Boost变换器。

Claims (1)

1.一种升压型变换器双缘调制输出电压控制方法，其特征在于，包括

在每个开关周期开始时刻，检测升压型变换器的输出电压V_o；

将输出电压V_o和预设的参考电压V_ref、常系数K₁＝1/[(m₁+m₂)T_s]和常系数K₂＝m₁/(m₁+m₂)输入到占空比产生器中，生成占空比控制信号D_n＝K₁(V_ref-V_o)+K₂；其中，m₁＝(V_o-V_in)R_e/L，m₂＝V_inR_e/L，V_in是升压型变换器的输入电压，R_e是升压型变换器的输出电容等效串联电阻，L是升压型变换器的电感，T_s是开关周期；

将占空比控制信号D_n和三角波产生器的输出信号输入到比较器中得到占空比信号V_d；

再将占空比信号V_d输入到驱动电路中得到驱动控制信号V_p，控制升压型变换器开关管的导通与关断。