CN109995223A - 占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路及工作方法，涉及电力电子领域，能够补偿占空比畸变，并减小占空比丢失,减少输出波形的畸变。本发明包括：利用理想状态下开关管S_g的漏源极电压与积分器的积分结果的固定关系确定实际等效占空比，并利用单稳态触发器缩短积分结果的复位时间，使补偿电路能够对开关管漏源极电压下降期间的电压畸变进行补偿，实现畸变占空比的补偿；当单周期控制发生占空比丢失时，引入一个带延时的时钟信号，利用异或逻辑判断直接对积分结果进行复位，实现当前开关周期占空比最大限度的补偿，并补偿了下一个开关周期的占空比丢失。

Description

占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路及工作方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及了占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路及工作方法。

背景技术

随着时代的发展，电力电子变换器对效率、体积、重量不断提出高的需求。提高电力电子变换器的频率可以有效地减小磁性元器件的体积和重量，提高变换器的功率密度，因而高频化成为开关变换器设计的重要指标。

实现开关电路的高频化对于改善开关电路的输出电压，输入电流波形以及滤波器的优化设计都具有重大意义，是开关电路未来的发展趋势。但在实际电路中，由于开关器件的非理想性，以及电路死区时间的存在，使得在实际开关电路中，当开关频率过高时，开关时刻的电压发生畸变，开关管的等效占空比缺失，最终导致输出电压波形畸变。同时当开关频率越高，占空比畸变对输出波形的影响越大。

为了能够补偿畸变的电压波形，提高输出电压质量，传统的电压补偿方案通过多次采样得到电感电流均值，然后根据电感电流的大小和正负判断正确的占空比丢失模式，并选择相应的公式推导需要补偿的占空比来弥补或者舍弃多余的占空比。

但随着开关周期的缩短，控制周期也同样减小，没有足够的时间来进行波形的采样、判断及计算，往往在数个开关周期才能进行一次占空比补偿，导致补偿的效果不佳。

综上,现有技术中缺乏一种通用性的控制补偿电路,补偿畸变的占空比,避免输出波形的畸变。

发明内容

本发明提供了占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路及工作方法，在不进行电感电流采样以及占空比畸变类型判断的情况下，补偿占空比并减小单周期控制下的占空比丢失，减小输出波形的畸变程度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路,包括：占空比提取模块、基准计算与输出模块、积分器、比较器、RS触发器、信号处理器、单稳态触发器、异或逻辑门、复位芯片。

受控制的功率电路中，开关管S_g的漏源极电压输入积分器，积分器连接比较器，比较器连接RS触发器，RS触发器的Q端与端连接并控制功率电路中开关管S_g的开通与关断。

变换器的控制器输出的PWM波形输入占空比提取模块，占空比提取模块、基准计算与输出模块、比较器依次连接。占空比提取模块采样PWM波形的上升下降沿，获得一个开关周期内的占空比D，计算并产生比较器的基准v_ref。

信号处理器连接RS触发器及异或逻辑门，为RS触发器提供时钟信号，并产生一个具有延时的时钟信号作为异或逻辑门的一个输入信号。

具有延时的时钟信号与RS触发器的端共同接入异或门，异或门的输出连接单稳态触发器，单稳态触发器连接复位芯片，复位芯片连接到积分器。

进一步的，积分器的积分输出为：

其中，v_int为积分输出，T_off为开关管S_g实际关断时间，k为所述积分器的积分系数，v_a为开关管S_g的漏源极实际电压。

进一步的，比较器的基准为：

其中，v_ref为比较器的基准信号，D为开关管S_g的理想占空比，T_s为开关周期，v_a ^*为S_g的漏源极理想电压。

进一步的，在RS触发器端的输出增加了异或逻辑判断，并通过引入具有延迟时钟信号实现了在一个开关周期内，有且只有一个复位信号；在复位芯片的前面增加了单稳态触发器，单稳态触发器控制积分器中积分结果的复位时间，从而实现对开关管漏源极电压下降期间的占空比补偿；在变换器的控制器的输出增加占空比提取模块，提取了PWM波形中占空比D的信息；在比较器之前增加基准计算与输出模块，实现了从占空比到基准的转换。

进一步的，所述电路是任意形式的电力电子变换装置的一个独立的控制电路，或者是级联控制电路或并联控制电路中的部分电路。

占空比补偿及抑制占空比丢失的控制方法，适用于占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路，包括：

S1、变换器的控制器输出PWM波形至占空比提取模块，占空比提取模块采样PWM波形的上升下降沿，获得一个开关周期内的占空比D，基准计算与输出模块根据占空比D计算出比较器的基准v_ref。

S2、信号处理器向RS触发器的S端输入时钟信号，使得开关周期开始时刻RS触发器的Q端输出高电平，端输出低电平，产生S_g的驱动信号V_gs-Sg，驱动功率电路中的开关管S_g断开。

S3、对S_g漏源极电压进行采样，得到漏源极实际电压v_a，将v_a输入积分器，积分器输出电压v_int。。

S4、比较器比较积分器的积分输出电压v_int与比较器的基准信号v_ref，得到输出电压v_r。

S5、将v_r输入RS触发器的R端进行逻辑判断，当v_int＝v_ref时，RS触发器输出发生反转，Q端输出低电平，端输出高电平，开关管S_g闭合，同时端的输出信号与信号处理器产生的带有延迟t_delay的时钟信号进行异或判断，输出结果v_xor，否则，循环执行S3-S5。

当变换器的占空比补偿环节未发生占空比丢失时，直接对开关管漏源极进行采样，利用理想状态下漏源极电压与积分器的积分结果的固定关系，确定实际等效占空比，完成对占空比的补偿。

当变换器的占空比补偿环节发生占空比丢失时，带延时的时钟信号在本次开关周期结束前，利用异或逻辑判断直接将积分结果复位到0，以实现当前开关周期的占空比欠补偿，并避免了下一个开关周期的占空比丢失问题。

S6、异或门输出结果v_xor的上升沿控制单稳态触发器输出v_reset，信号v_reset控制复位芯片将积分器的积分结果复位到0，完成一个开关周期内的开关控制，即调制器闭环，使得开关管的实际占空比与理想占空比一致，以单周期控制方式直接实现占空比补偿，循环执行S1-S6。

进一步的，延迟t_delay为：

t_delay＝T_s-T_reset

其中，T_reset为单稳态触发器输出信号的脉冲宽度，T_s为开关管S_g的开关周期。

带有延迟t_delay的时钟信号实现了在一个开关周期内，有且只有一个复位信号，有效地解决了占空比补偿环节的占空比丢失问题；在积分器两端并联的复位芯片的前面增加了一个单稳态触发器，有效地减小了补偿环节中积分结果的复位时间，实现了对开关管漏源极电压下降期间的占空比补偿。

进一步的，所述方法利用对开关管S_g漏源极电压的积分结果确定开关管S_g的实际占空比，采样所述变换器的控制器输出的PWM波形的上升下降沿确定开关管S_g的理想占空比，利用所述比较器确保每个开关周期内的实际占空比与理想占空比相等，即实现调制器闭环，完成对畸变占空比的补偿。

进一步的，所述方法通过模拟硬件电路或者数字软件编程实现。

本方法的工作原理为：当变换器的占空比补偿环节未发生占空比丢失时，通过直接对开关管S_g的漏源极电压进行采样，利用理想状态下漏源极电压与积分器积分结果的固定关系，确定实际的等效占空比，最终达到在不进行判断占空比畸变类型的条件下，完成对占空比的补偿；当变换器的占空比补偿环节发生占空比丢失时，带延时的时钟信号在本次开关周期结束前，利用异或逻辑判断直接将积分结果复位到0，以实现本开关周期的占空比欠补偿，并有效地避免了下一个开关周期的占空比丢失问题。

本发明的有益效果为：

本发明利用理想状态下开关管漏源极电压与积分器积分结果的固定关系，确定实际等效占空比，无需通过电流采样判断畸变类型，对不同畸变类型统一补偿；并且对占空比的补偿控制在一个开关周期内即可完成，控制的动态性能好，同时输出无稳态误差；在开关频率高的场合下，相较于传统的占空比补偿方案，既能够对开关管漏源极电压下降期间的电压畸变波形进行补偿，又能有效地补偿单周期控制方式中占空比丢失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是传统的单相全桥逆变器开关管S₂漏源极的电压波形；

图2是功率电路与实施例的连接示意图；

图3是实施例的结构示意图；

图4是占空比丢失时的控制补偿回路波形；

图5是占空比完全补偿下的控制补偿回路波形；

图6是占空比欠补偿状况下的控制补偿回路波形。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供了占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路，本实施例以传统的单相全桥逆变器为功率电路进行描述，如图2所示，功率回路包括开关管S₁、S₂、S₃、S₄,S₁、S₃的漏极相连，S₁的源极和S₂的漏极连接，S₂、S₄的源极接地，S₄的漏极和S₃的源极连接，S₂的漏极连接控制电路的输入端。

所述控制电路在开关占空比未畸变和畸变，以及开关占空比未丢失和丢失情况下，控制开关管S₁、S₂、S₃、S₄的工作状态。

占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路，包括：占空比提取模块、基准计算与输出模块、积分器、比较器、RS触发器、信号处理器、单稳态触发器、异或逻辑门、复位芯片，如图3所示，其中,V_{gs_Sg}是Sg的驱动信号,g的取值为1,2,3,4。

功率电路中开关管S₂的漏源极电压输入积分器，积分器连接比较器，比较器连接RS触发器，RS触发器的Q端和端控制功率电路中开关管的开通与关断。

变换器的控制器输出的PWM波形输入占空比提取模块，占空比提取模块采样PWM波形上升下降沿，获得一个开关周期内的占空比D，计算并产生比较器的基准v_ref。占空比提取模块、基准计算与输出模块、比较器依次连接。

信号处理器连接RS触发器及异或逻辑门，为RS触发器提供时钟信号和具有延时的时钟信号，并产生一个具有延时的时钟信号作为异或逻辑门的一个输入信号。具有延时的时钟信号与RS触发器的端共同接入异或门，异或门的输出连接单稳态触发器，单稳态触发器连接复位芯片，复位芯片连接到积分器。

图1为传统的单相全桥逆变器S₂的漏源极电压波形，其中v_a ^*为开关管漏源极理想电压，I_L为电感电流，v_a为漏源极实际电压。即在实际电路中，由于开关器件的非理想性，以及电路死区时间的存在，使得开关管漏源极实际电压v_a发生畸变，开关的等效占空比缺失，最终导致输出电压波形畸变，同时v_a的畸变类型及占空比缺失的大小与负载电流的大小及方向有关。另外随着开关频率的提高，占空比的畸变对输出波形的影响也随之变大。

传统的占空比补偿方式主要为：首先对电流进行瞬时采样，根据纹波得到开关时刻电流的大小及方向，并判断出占空比丢失的类型，计算得需要补偿的占空比，从而实现占空比补偿。

在开关频率较低时，补偿电路仅根据电流采样结果计算需要补偿的占空比即可，无需额外的硬件。但是在开关频率较高时，单个开关周期内所能进行的电感电流采样次数有限，且电流采样的结果易受开关噪声影响，导致传统的补偿方式极易产生较大误差，使得输出波形明显波动。

本实施例还提供了占空比补偿及抑制占空比丢失的控制方法，适用于占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路，包括：

S1、变换器的控制器输出开关管驱动所需的PWM波形至占空比提取模块，占空比提取模块采样PWM波形上升下降沿，获得一个开关周期内的占空比D，计算并产生比较器的基准v_ref。

S2、信号处理器产生时钟信号输入到RS触发器的S端，使得RS触发器的Q端输出高电平，端输出低电平，驱动开关管S₁、S₄闭合，S₂、S₃断开。

S3、S₂漏极电压的采样结果v_a输入控制电路，v_a经过积分环节输出电压v_int。。

比较器的基准为：

其中，v_ref为电压基准信号，，D为S₂的理想占空比，T_s为开关周期，v_a*为S₂的漏源极理想电压。

积分器的积分输出为：

其中，v_int为积分输出，T_off为开关管S₂实际关断时间，k为积分环节的积分系数，v_a为开关管S₂的漏源极实际电压。

当逆变器的单周期控制未发生占空比丢失时，直接对漏源极电压进行采样，利用理想状态下开关管占空比与积分器积分结果的固定关系，从而确定实际等效占空比，完成对占空比的补偿。

当电力电子变换器的单周期控制环节发生占空比丢失时，带延时的时钟信号在本次开关周期结束前，利用异或逻辑判断直接将积分器的积分结果复位到0，以实现当前开关周期的占空比欠补偿，并避免了下一个开关周期的占空比丢失问题。

S4、电压v_int与电压基准信号v_ref经比较器比较得到输出电压v_r。

S5、将v_r输入到RS触发器的R端进行逻辑判断，当v_int＝v_ref，RS触发器的Q端输出低电平，端输出高电平，驱动主功率管S₁、S₄断开，S₂、S₃闭合，同时端的输出信号与信号处理器产生的带有延迟t_delay的时钟信号通过异或门进行异或判断，否则，循环执行S3-S5。

带有延迟t_delay的时钟信号实现了在一个开关周期内，有且只有一个复位信号，有效地解决了传统单周期控制中的占空比丢失问题；在积分器所并联的复位芯片的前面增加了一个单稳态触发器，有效地控制了单周期控制下的积分结果的复位时间，从而实现对开关管漏源极电压下降期间的占空比补偿。

S6、异或门输出结果的上升沿控制单稳态触发器输出，输出结果v_reset控制复位芯片，将积分器的积分结果复位到0，完成一个开关周期内的占空比补偿，即采用调制器闭环，使得开关管的实际占空比和理想占空比一致，以单周期控制方式直接实现了占空比补偿，循环执行S1-S6。

一个开关周期内积分输出与比较器基准满足：

其中，v_int为积分输出，v_ref为电压基准信号，T_off为开关管S₂的实际关断时间，k为积分环节的积分系数，D为S₂的理想占空比，T_s为开关周期，v_a为S₂漏源极实际电压。

功率电路的开关管导通时的漏源极电压接近于0，时间为T_on，开关管关断时漏源极电压为v_a,时间为T_off；对开关管进行占空比补偿时，一个开关周期内漏源极电压的实际积分结果等于理想积分结果，即此时在开关周期开始时刻，使得开关管关断，当等号成立后，闭合开关管。由于一个开关周期内D_off+D_on＝1，所以当实际T_off等于理想T_off时，实际T_on也等于实际T_on，完成了一个开关周期内的占空比补偿。

已知在任意电力电子装置的控制中，通过各种已知的控制方式产生开关管所需的PWM波形，从而将输入电压变换为理想的输出电压。本实施例可添加到任意变换器的控制器的PWM输出之后，实现对占空比进行补偿，减少电压畸变。

而传统的对于单周期控制方式的运用均是将单周期控制方式加入产生PWM波形的控制电路之中，无法补偿理想占空比到实际占空比畸变。本文提出的控制电路是加在PWM波形产生之后，补偿理想占空比到实际占空比的畸变。

本实施例通过对开关管漏源极电压进行采样积分，利用积分器的积分结果，确定实际开关管的等效占空比，完成对占空比的补偿。其本质上是将积分器作为电路的计时器来使用，以便动态掌握电路的实际等效占空比。当采样点电压发生畸变时，其畸变效果通过积分结果反映到控制电路中，且不论v_a在实际电路中属于何种畸变，均可得出其相应等效占空比，完成对开关点电压不同畸变情况下的统一补偿，有效地规避了传统前馈型补偿方案中的畸变类型判断环节，扩大了控制电路所适用的频率范围。

所述控制电路第一个特点为：复位芯片前增加了一个单稳态触发器。其主要作用在于：缩短复位时间，使得补偿电路在复位时间结束后，电路开始对开关管漏源极电压下降期间的电压畸变进行积分，将此部分产生的畸变补偿到下一个开关周期中，形成一拍滞后的效应，最终在整体上补偿了所有的电压畸变部分。

因此实施例种所述控制电路中产生的实际占空比D_实际满足：

其中，D_补偿为电压畸变所缺失的等效占空比。

所述控制电路第二个特点为：在RS触发器端的输出增加了一个异或逻辑门电路，并通过人为引入一个带有延迟t_delay的时钟信号与RS触发器端的输出进行异或逻辑判断。

其主要原因为：当理想占空比接近1时，补偿后的占空比D_实际很可能需要超过1，导致在下个周期新的Clock信号来临时，积分项还未达到基准，使得上个周期的复位信号v_reset滞后于下个周期的Clock信号，从而丢失了一个周期的占空比，而RS触发器和比较器等控制电路中的延时会加剧了复位信号的滞后效应，最终导致了输出波形的畸变问题，如图4所示，其中虚线为积分器输出结果v_int，实线为时钟信号Clock。人为引进逻辑判断，可以实现了在一个开关周期内，有且只有一个复位信号，有效地解决了传统单周期控制中的占空比丢失问题。

因此延时t_delay满足：

t_delay＝T_s-T_reset

其中，T_reset为单稳态触发器输出信号的脉冲宽度，T_s为开关周期。

所以本实施例的工作模式包括：

(1)补偿后的占空比D_实际<1时，如图5所示，Clock信号在开关周期开始时刻，控制开关管开通与关断，当v_int＝v_ref时，由比较器的输出v_r控制RS触发器实现驱动信号的翻转，此种情况下，占空比补偿电路对电压畸变部分进行了完全补偿，所以定义此种状态为占空比完全补偿。

(2)补偿后的占空比D_实际>1时，如图6所示，在时间接近本开关周期的结束时刻，积分结果仍未达到基准，此时异或逻辑判断输出由于人为端进的带延时的时钟信号v_pluse在开关结束时刻产生一个复位信号，强制复位积分结果，避免占空比丢失状况，此时补偿电路对电压畸变部分只进行了部分补偿，所以定义此中状态为占空比欠补偿状态。

基于所述控制电路搭建相应的Saber仿真电路，设置开关管的开关频率为200kHz，控制电路为传统的开环控制时，输出电压的THD为7.6％；若在开环控制输出的PWM波形之后添加所述控制电路，输出电压的THD降为2.1％，因此所述控制电路具有很好的占空比补偿效果。

在复位芯片之前增加一个异或逻辑门，以确保在一个开关周期内，有且只有一个复位信号，从而规避占空比丢失问题。利用Saber比较增加异或逻辑门前后的控制效果：当D_max＝0.9时，无异或逻辑门时，控制电路发生占空比丢失，输出电压的THD为13.3％；存在异或逻辑门时，控制电路规避了占空比丢失问题，输出电压的THD降为2.6％。因此所述控制电路可以较好地减小占空比丢失对输出电压的影响。

本发明的有益效果为：

本发明采用理想状态下开关管占空比与积分器的积分结果的固定关系，确定实际等效占空比，无需通过电流采样判断畸变类型，对不同畸变类型统一补偿；并且对占空比的补偿控制在一个开关周期内即可完成，控制的动态性能好，同时输出无稳态误差；在开关频率高的场合下，既能够对开关管漏源极电压下降期间的电压畸变波形进行补偿，也能够有效地避免单周期控制方式中占空比丢失问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.占空比补偿及抑制占空比丢失的控制电路，其特征在于，包括：

占空比提取模块、基准计算与输出模块、积分器、比较器、RS触发器、信号处理器、单稳态触发器、异或逻辑门、复位芯片；

功率电路中开关管S_g的漏源极电压输入积分器，积分器连接比较器，比较器连接RS触发器，RS触发器的Q端和端连接并控制功率电路中开关管S_g的关断；

变换器的控制器输出的PWM波形输入占空比提取模块，占空比提取模块、基准计算与输出模块、比较器依次连接；

信号处理器连接RS触发器及异或逻辑门，为RS触发器提供时钟信号，并产生一个具有延时的时钟信号作为异或逻辑门的一个输入信号；具有延时的时钟信号与RS触发器的端共同接入异或门，异或门的输出连接单稳态触发器，单稳态触发器连接复位芯片，复位芯片连接积分器。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述积分器的积分输出为：

其中，v_int为积分输出，T_off为开关管S_g实际关断时间，k为所述积分器的积分系数，v_a为开关管S_g的漏源极实际电压。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述比较器的基准为：

其中，v_ref为所述比较器的基准信号，D为从PWM波形中提取的开关管S_g的理想占空比，T_s为开关管S_g的开关周期，v_a ^*为开关管S_g的漏源极理想电压。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，在所述RS触发器端的输出增加了所述异或逻辑判断，并通过引入所述具有延迟时钟信号，保证在一个开关周期内，有且只有一个复位信号；在所述复位芯片的前面增加了所述单稳态触发器，所述单稳态触发器控制所述积分结果的复位时间，从而实现对所述开关管漏源极电压下降期间的占空比补偿；在所述变换器的控制器的输出增加所述占空比提取模块，提取PWM波形中占空比D的信息；在所述比较器之前增加所述基准计算与输出模块，实现了从占空比到基准的转换。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路是任意形式的电力电子变换装置的一个独立的控制电路，或者是级联控制电路或并联控制电路中的部分电路。

6.占空比补偿及抑制占空比丢失控制电路的工作方法，其特征在于，包括：

S1、变换器的控制器输出PWM波形至占空比提取模块，占空比提取模块采样PWM波形的上升下降沿，获得一个开关周期内的占空比D，基准计算与输出模块根据占空比D计算出比较器的基准v_ref；

S2、信号处理器向RS触发器的S端输入时钟信号，使得开关周期的开始时刻RS触发器的Q端输出高电平，端输出低电平，产生S_g的驱动信号V_gs-Sg，驱动功率电路中的开关管S_g断开；

S3、采样开关管S_g的漏源极实际电压v_a，输入积分器，积分器输出电压v_int；

S4、比较器比较积分器的积分输出电压v_int与比较器的基准信号v_ref，得到输出电压v_r；

S5、将v_r输入RS触发器的R端进行逻辑判断，当v_int＝v_ref时，RS触发器输出发生反转，Q端输出低电平，端输出高电平，开关管S_g闭合，同时端的输出信号与信号处理器产生的带有延迟t_delay的时钟信号进行异或判断，输出结果v_xor，否则，循环执行S3-S5；

S6、异或门输出结果v_xor的上升沿控制单稳态触发器输出v_reset，信号v_reset控制复位芯片将积分器的积分结果复位到0，循环执行S1-S6。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，延迟t_delay为：

t_delay＝T_s-T_reset

其中，T_reset为所述单稳态触发器输出信号的脉冲宽度，T_s为开关管S_g的开关周期。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用对开关管S_g漏源极电压的积分结果确定开关管S_g的实际占空比，采样所述变换器的控制器输出的PWM波形的上升下降沿确定开关管S_g的理想占空比，利用所述比较器确保每个开关周期内的实际占空比与理想占空比相等，即实现调制器闭环，完成对畸变占空比的补偿。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于,所述方法通过模拟硬件电路或者数字软件编程实现。