CN110474533B - 一种直流变换器内部等效电阻辨识电路 - Google Patents

一种直流变换器内部等效电阻辨识电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，变换器主电路为BUCK型电路，变换器控制辨识电路包括：输入电压、电感电流、输出电压和输出电流检测电路，方波信号电路，输入电流选择电路，电感电流、输出电压采样保持电路，输入能量、输出能量计算电路，电感储能增量、电容储能增量计算电路，负载计算电路、能量损耗计算电路、导通能量损耗采样保持电路、输出能量采样保持电路、关断能量损耗计算电路、关断能量损耗采样保持电路、关断时期负载消耗能量计算电路、导通损耗等效内阻计算电路、关断损耗等效内阻计算电路、变换器控制驱动电路；本发明通过计算各部分的能量参数实现直流变换器内部损耗能量等效电阻。

Description

一种直流变换器内部等效电阻辨识电路
技术领域
本发明涉及一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，特别是涉及到一种基于内部损耗能量等效原则的电阻参数在线辨识电路，属于直流变换器内部等效电阻的辨识技术。
背景技术
直流变换器在运行过程中，由于其内部半导体器件不停地在导通和关断状态之间切换，并且半导体器件的导通电阻也会随电流、电压的改变而变化，使得直流变换器内部损耗随着系统运行状态而变化，因此如何快速、准确地对直流变换器内部等效电阻参数进行辨识，一直是解决直流变换器数学建模的准确性、提升控制精度等诸多关键技术的核心问题之一。
在现有的各种技术中，缺少能够直接针对直流变换器内部等效电阻进行在线辨识的技术，而主要是侧重于直流变换器内部损耗的分析，这些基于器件功率损耗模型的内部损耗分析方法的准确性过分依赖于器件的内部结构和特性曲线，得到的损耗模型不适合变换器的实时控制，而且分析过程复杂，实际应用价值有限。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种通过计算系统各部分的能量参数来实现直流变换器内部损耗能量等效电阻(内部等效电阻)的直流变换器内部等效电阻辨识电路。
为解决上述技术问题，本发明的一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，包括变换器主电路和变换器控制辨识电路，变换器主电路为BUCK型电路，变换器主电路包括：电力电子开关器件VT、续流二极管VD、滤波电感L、滤波电容C；
变换器控制辨识电路包括：输入电压检测电路1、电感电流检测电路2、输出电压检测电路3、输出电流检测电路4、方波信号电路5、输入电流选择电路6、电感电流采样保持电路7、输出电压采样保持电路8、输入能量计算电路9、输出能量计算电路10、电感储能增量计算电路11、电容储能增量计算电路12、负载计算电路13、能量损耗计算电路14、导通能量损耗采样保持电路15、输出能量采样保持电路16、关断能量损耗计算电路17、关断能量损耗采样保持电路18、关断时期负载消耗能量计算电路19、导通损耗等效内阻计算电路20、关断损耗等效内阻计算电路21、变换器控制驱动电路CN；
输入电压检测电路1并联在变换器主电路的输入端，检测并输出变换器主电路的输入电压uin，输入电压检测电路1的输出接至输入能量计算电路9的对应输入端；电感电流检测电路2与变换器主电路中的滤波电感L串联，检测并输出滤波电感L的电流iL进，电感电流检测电路2的输出端分别与输入电流选择电路6、电感电流采样保持电路7、电感储能增量计算电路11、变换器控制驱动电路CN的对应输入端连接；输出电压检测电路3并联在变换器主电路中的滤波电容C的两端，检测并输出变换器主电路的输出电压uout进行检测，输出电压检测电路3的输出端分别与输出能量计算电路10、输出电压采样保持电路8、电容储能增量计算电路12、负载计算电路13、变换器控制驱动电路CN的对应输入端连接；输出电流检测电路4串联在变换器主电路的正极性输出端，检测并输出变换器主电路的输出电流iout，输出电流检测电路4的输出端分别与输出能量计算电路10、负载计算电路13的对应输入端连接；方波信号电路5的输出端分别与电感电流采样保持电路7、输出电压采样保持电路8、输入能量计算电路9、输出能量计算电路10的对应输入端连接；输入电流选择电路6的输出端与输入能量计算电路9的对应输入端连接；电感电流采样保持电路7的输出端与电感储能增量计算电路11的对应输入端连接；输出电压采样保持电路8的输出端与电容储能增量计算电路12的对应输入端连接；输入能量计算电路9的输出端分别与能量损耗计算电路14和关断能量损耗计算电路17的对应输入端连接；输出能量计算电路10的输出端分别与能量损耗计算电路14、输出能量采样保持电路16、关断能量损耗计算电路17、关断时期负载消耗能量计算电路19的对应输入端连接；电感储能增量计算电路11的输出端分别与能量损耗计算电路14和关断能量损耗计算电路17的对应输入端连接；电容储能增量计算电路12的输出端分别与能量损耗计算电路14和关断能量损耗计算电路17的对应输入端连接；负载计算电路13的输出端分别与导通损耗等效内阻计算电路20和关断损耗等效内阻计算电路21的对应输入端连接；能量损耗计算电路14的输出端与导通能量损耗采样保持电路15的对应输入端连接；导通能量损耗采样保持电路15的输出端分别与关断能量损耗计算电路17和导通损耗等效内阻计算电路20的对应输入端连接；输出能量采样保持电路16的输出端分别与关断时期负载消耗能量计算电路19和导通损耗等效内阻计算电路20的对应输入端连接；关断能量损耗计算电路17的输出端与关断能量损耗采样保持电路18的对应输入端连接；关断能量损耗采样保持电路18的输出端与关断损耗等效内阻计算电路21的对应输入端连接；关断时期负载消耗能量计算电路19的输出端与关断损耗等效内阻计算电路21的对应输入端连接；导通损耗等效内阻计算电路20的输出端即为导通损耗等效内阻辨识值导通等效电阻的信号输出端；关断损耗等效内阻计算电路21的输出端即为关断损耗等效内阻辨识值关断等效电阻的信号输出端；变换器主电路输出电压给定信号Uref接至变换器控制驱动电路CN的对应输入端，变换器控制驱动电路CN的输出端在与变换器主电路中的电力电子开关器件VT的控制端连接的同时，还分别与方波信号电路5、输入电流选择电路6、导通能量损耗采样保持电路15、输出能量采样保持电路16、关断能量损耗采样保持电路18、关断时期负载消耗能量计算电路19、导通损耗等效内阻计算电路20、关断损耗等效内阻计算电路21的对应输入端连接。
本发明还包括：
1.所述方波信号电路5产生并输出固定占空比的方波信号，方波信号的频率与变换器控制驱动电路CN输出的PWM信号的频率相同，方波信号的上升沿与PWM信号的上升沿同步。
2.当电力电子开关VT导通时，输入电流选择电路6的输出信号等于变换器主电路的输入电流，当电力电子开关VT关断时输入电流选择电路6的输出信号为零；
3.电感电流采样保持电路7根据方波信号电路5产生的方波信号，将开关周期初始时刻时的变换器主电路的电感电流值作为输出信号一直保持到开关周期的结束时刻；
输出电压采样保持电路8根据方波信号电路5产生的方波信号，将开关周期初始时刻时的变换器主电路的输出电压值作为输出信号一直保持到开关周期的结束时刻；
4.输入能量计算电路9根据获取的输入电压和电流信息，计算并输出从开关周期起始时刻至该开关周期内t时刻的时间段内变换器主电路获得的输入能量值W1，输入能量计算电路9根据方波信号电路5产生的方波信号，在每个开关周期末进行复位；
输出能量计算电路10根据获取的输出电压和输出电流信息，计算并输出从开关周期起始时刻至该开关周期内t时刻的时间段内变换器主电路的输出能量值W2，输出能量计算电路10根据方波信号电路5产生的方波信号，在每个开关周期末进行复位；
电感储能增量计算电路11根据获取的开关周期起始时刻时的电感电流值和t时刻的电感电流值，以及已知的滤波电感L的电感值，计算并输出从开关周期起始时刻至该开关周期内t时刻的滤波电感L的储能增量W3；
电容储能增量计算电路12根据获取的开关周期起始时刻的输出电压值和t时刻的输出电压值，以及已知的滤波电容C的电容值，计算并输出从开关周期起始时刻至该开关周期内t时刻的滤波电容C的储能增量W4；
能量损耗计算电路14计算并输出从当前开关周期起始时刻至t时刻的时间段内变换器主电路中的能量损耗值W5，W5满足：
W5＝W1-W2-W3-W4
负载计算电路13根据获取的变换器主电路的输出电压和输出电流值，计算并输出变换器主电路的负载等效电阻R1；
当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为高电平时，导通能量损耗采样保持电路15的输出信号等于输入信号W5，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号由高电平变为低电平时，导通能量损耗采样保持电路15将下降沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM信号高电平到来之前的时间段内，导通能量损耗采样保持电路15的输出保持为该锁存值，导通能量损耗采样保持电路15的输出信号定义为导通损耗值W6；
当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为高电平时，输出能量采样保持电路16的输出信号等于输入信号W2，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号由高电平变为低电平时，输出能量采样保持电路16将下降沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM信号高电平到来之前的时间段内，输出能量采样保持电路16的输出保持为该锁存值，输出能量采样保持电路16的输出信号定义为导通输出能量值W7；
关断能量损耗计算电路17获取变换器主电路的输入能量值W1、输出能量值W2、电感储能增量值W3、电容储能增量值W4和导通损耗值W6，计算并输出从开关周期内电平下降沿时刻至t时刻的时间段内变换器主电路的关断时期能量损耗值W8，W8满足：
W8＝W1-W2-W3-W4-W6
当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为低电平时，关断能量损耗采样保持电路18的输出信号等于输入信号W8，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号由低电平变为高电平时，关断能量损耗采样保持电路18将上升沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM信号低电平到来之前的时间段内，关断能量损耗采样保持电路18的输出保持为该锁存值，关断能量损耗采样保持电路18的输出信号定义为关断损耗值W9；
关断时期负载消耗能量计算电路19在变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为低电平时，计算并输出从当前开关周期内电平下降沿时刻至t时刻的时间段内变换器主电路的关断时期输出能量值W10，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号由低电平变为高电平时，关断时期负载消耗能量计算电路19将上升沿时刻计算出的关断时期输出能量值锁存，在下一个PWM信号低电平到来之前的时间段内，关断时期负载消耗能量计算电路19的输出保持为该锁存值，关断时期负载消耗能量计算电路19的输出信号为关断输出能量值W10，W10满足：
W10＝W2-W7
当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为低电平时，导通损耗等效内阻计算电路20根据获取的负载等效电阻R1、导通损耗值W6以及导通输出能量值W7，计算出导通损耗等效电阻R2，并将计算结果通过数据总线传递给上位机或者显示装置，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为高电平时，导通损耗等效内阻计算电路20停止计算，R2满足：
Figure BDA0002118332230000051
当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为高电平时，关断损耗等效内阻计算电路21根据获取的负载等效电阻R1、关断损耗值W9以及关断输出能量值W10，计算关断损耗等效电阻R3，并将计算结果通过数据总线传递给上位机或者显示装置，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为低电平时，关断损耗等效内阻计算电路21停止计算，R3满足：
Figure BDA0002118332230000052
5.变换器控制驱动电路CN根据Uref、uout和iL采用电压电流双闭环控制策略，输出固定开关频率的PWM信号，以上升沿作为每一个开关周期的起始时刻，控制变换器主电路中电力电子开关器件VT的导通和关断，使得变换器主电路的输出电压在稳态运行时等于输出电压给定值。
6.输入电流选择电路6采用CD4053芯片。
7.电感电流采样保持电路7、输出电压采样保持电路8、导通能量损耗采样保持电路15、输出能量采样保持电路16、关断能量损耗采样保持电路18、关断时期负载消耗能量计算电路19采用SHC5320芯片。
8.输入能量计算电路9、输出能量计算电路10、电感储能增量计算电路11、电容储能增量计算电路12、负载计算电路13、导通损耗等效内阻计算电路20、关断损耗等效内阻计算电路21采用乘法器AD734。
本发明有益效果：本发明针对BUCK型直流变换器内部各器件及线路的损耗存在不确定、时变、非线性等问题提出一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，该辨识电路可以在不影响直流变换器的正常运行的情况下，对直流变换器实时变化的内部损耗能量等效电阻进行精确的在线辨识，从而为直流变换器的数学建模、控制精度的提高提供数据支持。与现有的等效电阻辨识方法相比，具有以下有益效果：
(1)所设计的辨识电路硬件结构简单，易于实现；
(2)可实现在线的实时辨识，辨识过程不仅不会对变换器的运行控制带来不利影响，其辨识结果反而还会为变换器的运行控制效果的改进提供更为精准的电路参数；
(3)在辨识过程中充分考虑到了电力电子器件通断状态的不同对等效电阻数值大小的影响，因此设计出的辨识电路既能够辨识出电力电子器件导通时的导通损耗等效电阻，也能辨识出电力电子器件关断时的关断损耗等效电阻，使得辨识出的等效电阻具备明确、清晰的物理意义，为相关的理论分析提供了有力支撑。
附图说明
图1为本发明的直流变换器内部等效电阻辨识电路的系统结构框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明具体实施方式做进一步介绍。
由于BUCK型直流变换器的主电路拓扑结构形式较多，本发明以典型的BUCK型直流变换器为例，进行具体说明和分析。
本发明提出的一种直流变换器内部等效电阻辨识电路由变换器主电路、变换器控制辨识电路组成。
变换器主电路由电力电子开关器件VT、续流二极管VD、滤波电感L、滤波电容C等器件构成，这些器件间的连接方式与典型的BUCK型直流变换器的器件连接方式一致。
变换器控制辨识电路由输入电压检测电路1、电感电流检测电路2、输出电压检测电路3、输出电流检测电路4、方波信号电路5、输入电流选择电路6、电感电流采样保持电路7、输出电压采样保持电路8、输入能量计算电路9、输出能量计算电路10、电感储能增量计算电路11、电容储能增量计算电路12、负载计算电路13、能量损耗计算电路14、导通能量损耗采样保持电路15、输出能量采样保持电路16、关断能量损耗计算电路17、关断能量损耗采样保持电路18、关断时期负载消耗能量计算电路19、导通损耗等效内阻计算电路20、关断损耗等效内阻计算电路21、变换器控制驱动电路CN等电路构成。
变换器控制辨识电路的连接关系为：输入电压检测电路1并联在变换器主电路的输入端，对变换器主电路的输入电压进行检测，其输出接至输入能量计算电路9的对应输入端；电感电流检测电路2与变换器主电路中的滤波电感L串联，对滤波电感L的电流进行检测，其输出端分别与输入电流选择电路6、电感电流采样保持电路7、电感储能增量计算电路11、变换器控制驱动电路CN的对应输入端连接；输出电压检测电路3并联在变换器主电路中的滤波电容C的两端，用于对变换器主电路的输出电压进行检测，其输出端分别与输出能量计算电路10、输出电压采样保持电路8、电容储能增量计算电路12、负载计算电路13、变换器控制驱动电路CN的对应输入端连接；输出电流检测电路4串联在变换器主电路的正极性输出端，用于对变换器主电路的输出电流进行检测，其输出端分别与输出能量计算电路10、负载计算电路13的对应输入端连接；方波信号电路5的输出端分别与电感电流采样保持电路7、输出电压采样保持电路8、输入能量计算电路9、输出能量计算电路10的对应输入端连接；输入电流选择电路6的输出端与输入能量计算电路9的对应输入端连接；电感电流采样保持电路7的输出端与电感储能增量计算电路11的对应输入端连接；输出电压采样保持电路8的输出端与电容储能增量计算电路12的对应输入端连接；输入能量计算电路9的输出端分别与能量损耗计算电路14和关断能量损耗计算电路17的对应输入端连接；输出能量计算电路10的输出端分别与能量损耗计算电路14、输出能量采样保持电路16、关断能量损耗计算电路17、关断时期负载消耗能量计算电路19的对应输入端连接；电感储能增量计算电路11的输出端分别与能量损耗计算电路14和关断能量损耗计算电路17的对应输入端连接；电容储能增量计算电路12的输出端分别与能量损耗计算电路14和关断能量损耗计算电路17的对应输入端连接；负载计算电路13的输出端分别与导通损耗等效内阻计算电路20和关断损耗等效内阻计算电路21的对应输入端连接；能量损耗计算电路14的输出端与导通能量损耗采样保持电路15的对应输入端连接；导通能量损耗采样保持电路15的输出端分别与关断能量损耗计算电路17和导通损耗等效内阻计算电路20的对应输入端连接；输出能量采样保持电路16的输出端分别与关断时期负载消耗能量计算电路19和导通损耗等效内阻计算电路20的对应输入端连接；关断能量损耗计算电路17的输出端与关断能量损耗采样保持电路18的对应输入端连接；关断能量损耗采样保持电路18的输出端与关断损耗等效内阻计算电路21的对应输入端连接；关断时期负载消耗能量计算电路19的输出端与关断损耗等效内阻计算电路21的对应输入端连接；导通损耗等效内阻计算电路20的输出端即为导通损耗等效内阻辨识值(导通等效电阻)的信号输出端；关断损耗等效内阻计算电路21的输出端即为关断损耗等效内阻辨识值(关断等效电阻)的信号输出端；变换器主电路输出电压给定信号Uref接至变换器控制驱动电路CN的对应输入端，变换器控制驱动电路CN的输出端在与变换器主电路中的电力电子开关器件VT的控制端连接的同时，还分别与输入电流选择电路6、导通能量损耗采样保持电路15、输出能量采样保持电路16、关断能量损耗采样保持电路18、关断时期负载消耗能量计算电路19、导通损耗等效内阻计算电路20、关断损耗等效内阻计算电路21的对应输入端连接。
变换器控制辨识电路中包含的各个电路的具体功能如下所述：
输入电压检测电路1对变换器主电路输入电压进行实时检测并将检测结果即输入电压信息传送至输入能量计算电路9；
电感电流检测电路2对变换器主电路中的电感电流进行实时检测并将检测结果即电感电流信息同时传送至输入电流选择电路6、电感电流采样保持电路7、电感储能增量计算电路11和变换器控制驱动电路CN；
输出电压检测电路3对变换器主电路的输出电压进行实时检测并将检测结果即输出电压信息同时传送至输出电压采样保持电路8、输出能量计算电路10、电容储能增量计算电路12、负载计算电路13和变换器控制驱动电路CN；
输出电流检测电路4对变换器主电路的输出电流进行实时检测并将检测结果即输出电流信息同时传送至输出能量计算电路10和负载计算电路13；
方波信号电路5的功能是产生固定占空比的方波信号，占空比D的选取根据电路的具体要求而定，产生的方波信号的频率与变换器控制驱动电路CN输出的PWM信号的频率相同，并且方波信号的上升沿与PWM信号的上升沿严格同步(两个信号的上升沿产生时间完全相同)，该方波信号被传送至电感电流采样保持电路7、输出电压采样保持电路8、输入能量计算电路9、输出能量计算电路10；
输入电流选择电路6的功能是，当电力电子开关VT导通时，其输出信号等于输入信号，当电力电子开关VT关断时其输出信号为零，即其输出信号等同于变换器主电路的输入电流信号，并将结果即输入电流信息传送至输入能量计算电路9的对应输入端；
电感电流采样保持电路7根据方波信号电路5产生的方波信号，将当前开关周期初始时刻时的变换器主电路的电感电流信息作为输出信号一直保持到当前开关周期的结束时刻，并将结果传送至电感储能增量计算电路11的对应输入端；
输出电压采样保持电路8根据方波信号电路5产生的方波信号，将当前开关周期初始时刻时的变换器主电路的输出电压信息作为输出信号一直保持到当前开关周期的结束时刻，并将结果传送至电容储能增量计算电路12的对应输入端；
输入能量计算电路9根据获取的输入电压和电流信息，计算出从当前开关周期起始时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路获得的输入能量值W1，根据方波信号电路5产生的方波信号，在每个开关周期末进行复位，并将计算结果传递给能量损耗计算电路14和关断能量损耗计算电路17；
其中，输入能量值W1的计算方法为通过乘法电路将主电路输入电压信息uin与主电路输入电流信息相乘得到主电路输入功率信息，通过积分电路在每个开关周期的起始时刻对输入功率信息进行积分，得到主电路输入能量值W1，并在每个开关周期末对积分器复位。
输出能量计算电路10根据获取的输出电压和输出电流信息，计算出从当前开关周期起始时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路的输出能量值W2，根据方波信号电路5产生的方波信号，在每个开关周期末进行复位，并将计算结果传递给能量损耗计算电路14、输出能量采样保持电路16、关断能量损耗计算电路17、关断时期负载消耗能量计算电路19；
其中，输出能量值W2的计算方法为通过乘法电路将主电路输出电压信息uout与主电路输出电流信息iout相乘得到主电路输出功率信息，通过积分电路在每个开关周期的起始时刻对输出功率信息进行积分，得到主电路输出能量值W2，并在每个开关周期末对积分器复位。
电感储能增量计算电路11根据获取的当前开关周期起始时刻时的电感电流信息和当前时刻的电感电流信息，以及已知的滤波电感L的电感值，计算出从当前开关周期起始时刻至当前时刻的滤波电感L的储能增量W3(当前时刻的电感储能值减去当前开关周期起始时刻时的电感储能值)，并将计算结果传递给能量损耗计算电路14和关断能量损耗计算电路17；
电容储能增量计算电路12根据获取的当前开关周期起始时刻时的输出电压信息和当前时刻的输出电压信息，以及已知的滤波电容C的电容值，计算出从当前开关周期起始时刻至当前时刻的滤波电容C的储能增量W4(当前时刻的电容储能值减去当前开关周期起始时刻时的电容储能值)，并将计算结果传递给能量损耗计算电路14和关断能量损耗计算电路17；
负载计算电路13根据获取的变换器主电路的输出电压和输出电流信息，计算出变换器主电路的负载等效电阻R1，并将计算结果传递给导通损耗等效内阻计算电路20、关断损耗等效内阻计算电路21；
能量损耗计算电路14根据获取的变换器主电路的输入能量值W1、输出能量值W2、电感储能增量值W3和电容储能增量值W4，利用公式(1)计算出从当前开关周期起始时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路中的能量损耗值W5，并将计算结果传递给导通能量损耗采样保持电路15；
W5＝W1-W2-W3-W4 (1)
导通能量损耗采样保持电路15的功能为，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为高电平时(设电力电子开关VT为高电平导通，下同)，导通能量损耗采样保持电路15的输出信号等于输入信号，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号由高电平变为低电平时，导通能量损耗采样保持电路15将下降沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM信号高电平到来之前的时间段内，导通能量损耗采样保持电路15的输出保持为该锁存值不变，导通能量损耗采样保持电路15的输出信号定义为导通损耗值W6；
输出能量采样保持电路16的功能为，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为高电平时，输出能量采样保持电路16的输出信号等于输入信号，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号由高电平变为低电平时，输出能量采样保持电路16将下降沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM信号高电平到来之前的时间段内，输出能量采样保持电路16的输出保持为该锁存值不变，输出能量采样保持电路16的输出信号定义为导通输出能量值W7；
关断能量损耗计算电路17获取变换器主电路的输入能量值W1、输出能量值W2、电感储能增量值W3、电容储能增量值W4和导通损耗值W6，利用公式(2)计算出从当前开关周期内电平下降沿时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路的关断时期能量损耗值W8，并将计算结果传递给关断能量损耗采样保持电路18；
W8＝W1-W2-W3-W4-W6 (2)
关断能量损耗采样保持电路18的功能为，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为低电平时，关断能量损耗采样保持电路18的输出信号等于输入信号，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号由低电平变为高电平时，关断能量损耗采样保持电路18将上升沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM信号低电平到来之前的时间段内，关断能量损耗采样保持电路18的输出保持为该锁存值不变，关断能量损耗采样保持电路18的输出信号定义为关断损耗值W9
关断时期负载消耗能量计算电路19根据获取的从当前开关周期起始时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路的输出能量值W2以及导通输出能量值W7，在CN发出的PWM信号为低电平时，利用公式(3)计算出从当前开关周期内电平下降沿时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路的关断时期输出能量值，当CN发出的PWM信号由低电平变为高电平时，关断时期负载消耗能量计算电路19将上升沿时刻计算出的关断时期输出能量值锁存，在下一个PWM信号低电平到来之前的时间段内，关断时期负载消耗能量计算电路19的输出保持为该锁存值不变，关断时期负载消耗能量计算电路19的输出信号定义为关断输出能量值W10；
W10＝W2-W7 (3)
导通损耗等效内阻计算电路20的功能为，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为低电平时，根据获取的负载等效电阻R1、导通损耗值W6以及导通输出能量值W7，根据公式(4)计算导通损耗等效电阻R2(导通等效电阻)，并将计算结果通过数据总线传递给上位机或者显示装置，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为高电平时，导通损耗等效内阻计算电路20停止计算；
Figure BDA0002118332230000111
关断损耗等效内阻计算电路21的功能为，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为高电平时，根据获取的负载等效电阻R1、关断损耗值W9以及关断输出能量值W10，根据公式(5)计算关断损耗等效电阻R3(关断等效电阻)，并将计算结果通过数据总线传递给上位机或者显示装置，当变换器控制驱动电路CN发出的PWM信号为低电平时，关断损耗等效内阻计算电路21停止计算；
Figure BDA0002118332230000112
变换器控制驱动电路CN的功能为，根据外部提供的输出电压给定信号Uref和其他电路提供的输出电压信息uout、电感电流信息iL采用现有的电压电流双闭环控制策略，输出固定开关频率的PWM信号(以上升沿作为每一个开关周期的起始时刻)，实现对变换器主电路中电力电子开关器件VT的导通和关断控制，使得变换器主电路的输出电压在稳态运行时等于输出电压给定值，变换器控制驱动电路CN还将PWM信号传送给输入电流选择电路6、导通能量损耗采样保持电路15、输出能量采样保持电路16、关断能量损耗采样保持电路18、关断时期负载消耗能量计算电路19、导通损耗等效内阻计算电路20、关断损耗等效内阻计算电路21。
工作原理
当变换器主电路正常运行时，本发明的工作原理和过程如下：
输入电压检测电路1、电感电流检测电路2、输出电压检测电路3以及输出电流检测电路4对变换器主电路的电压、电流进行实时检测，并将检测结果传送给对应电路；负载计算电路13根据获取的变换器主电路的输出电压和输出电流信息，计算出变换器主电路的负载等效电阻R1；变换器控制驱动电路CN根据外部提供的输出电压给定信号Uref和输出电压信息uout、电感电流信息iL，采用现有的电压电流双闭环控制策略，输出固定开关频率的PWM信号，实现对变换器主电路中电力电子开关器件VT的导通和关断控制，使得变换器主电路的输出电压在稳态运行时等于输出电压给定值，确保为用电负载提供稳定的供电电压；方波信号电路5产生固定占空比的方波信号，占空比D的选取根据电路的具体要求而定，产生的方波信号的频率与PWM信号的频率相同，并且方波信号的上升沿与PWM信号的上升沿严格同步(两个信号的上升沿产生时间完全相同)；输入电流选择电路6根据PWM信号高、低电平的状态，令其输出电流等于电感电流或者为零，从而形成输入电流信息，避免了输入电流传感器的使用；在每一开关周期的初始时刻，电感电流采样保持电路7对电感电流信息进行采样、保持，输出电压采样保持电路8对输出电压信息进行采样、保持；输入能量计算电路9根据获取的输入电压和输入电流信息，计算出从当前开关周期起始时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路获得的输入能量值W1；输出能量计算电路10根据获取输出电压和输出电流信息，计算出从当前开关周期起始时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路的输出能量值W2；电感储能增量计算电路11根据获取的当前开关周期起始时刻时的电感电流信息和当前时刻的电感电流信息，计算出从当前开关周期起始时刻至当前时刻的滤波电感L的储能增量W3(当前时刻的电感储能值减去当前开关周期起始时刻时的电感储能值)；电容储能增量计算电路12根据获取的当前开关周期起始时刻时的输出电压信息和当前时刻的输出电压信息，计算出从当前开关周期起始时刻至当前时刻的滤波电容C的储能增量W4(当前时刻的电容储能值减去当前开关周期起始时刻时的电容储能值)；能量损耗计算电路14依据输入信号，利用公式(1)计算出从当前开关周期起始时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路中的能量损耗值W5；导通能量损耗采样保持电路15在PWM信号由高电平变为低电平时将输入信号锁存，在下一个PWM信号高电平到来之前的时间段内，其输出信号导通损耗值W6保持为该锁存值不变；输出能量采样保持电路16在PWM由高电平变为低电平时，将下降沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM信号高电平到来之前的时间段内，其输出信号导通输出能量值W7保持为该锁存值不变；关断能量损耗计算电路17依据输入信号，利用公式(2)计算出从当前开关周期内电平下降沿时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路的关断时期能量损耗值W8；关断能量损耗采样保持电路18在PWM信号由低电平变为高电平时，将上升沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM信号低电平到来之前的时间段内，其输出信号关断损耗值W9保持为该锁存值不变；关断时期负载消耗能量计算电路19在PWM信号为低电平时，依据输入信号利用公式(3)计算出从当前开关周期内电平下降沿时刻至当前时刻的时间段内变换器主电路的关断时期输出能量值，当PWM信号由低电平变为高电平时，电路将上升沿时刻计算出的关断时期输出能量值锁存，在下一个PWM信号低电平到来之前的时间段内，其输出信号关断输出能量值W10保持为该锁存值不变；根据戴维南等效定理可知，电路中的等效电阻与负载是串联关系，所以电阻值之比等于消耗能量之比，以此为依据，导通损耗等效内阻计算电路20在PWM信号为低电平时，根据获取的负载等效电阻R1、导通损耗值W6以及导通输出能量值W7，利用公式(4)计算出导通损耗等效电阻R2，并将计算结果通过数据总线传递给上位机或者显示装置，当PWM信号为高电平时，导通损耗等效内阻计算电路20停止计算；同理，关断损耗等效内阻计算电路21在PWM信号为高电平时，根据获取的负载等效电阻R1、关断损耗值W9以及关断输出能量值W10，利用公式(5)计算出关断损耗等效电阻R3，并将计算结果通过数据总线传递给上位机或者显示装置，当PWM信号为低电平时，关断损耗等效内阻计算电路21停止计算。
实施方法一
主电路采用BUCK电路，其中的电力电子开关器件VT、续流二极管VD、电感L、电容C等器件的设计、选取方法与现有的标准BUCK电路的器件设计、选取方法完全一致。
变换器控制驱动电路CN可利用现有的具有模拟信号采集、数字信号处理、脉冲信号隔离及驱动等功能的电路进行设计和实现。例如可以采用数字信号处理器辅以相应的外围硬件电路和软件编程予以实现。
输入电压检测电路1、输出电压检测电路3可以利用现有的各种具有电压检测和信号传送功能的电路予以实现，比如可以采用霍尔型电压传感器辅以相应的信号处理电路。
电感电流检测电路2、输出电流检测电路4可以利用现有的各种具有电流检测和信号传送功能的电路予以实现，比如可以采用霍尔型电流传感器辅以相应的信号处理电路。
方波信号电路5可以利用现有的具有方波发生功能的电路予以实现，为了保证和PWM信号具有相同的开关频率，以及两者之间的上升沿同步，必要时可以将PWM信号作为方波信号电路5的输入信号，例如利用单片机及其外围电路予以设计、实现。
输入电流选择电路6可以利用现有的具有选通作用的芯片辅以相应的外围电路搭建而成，例如可以用CD4053芯片及相应的应用电路组成。
电感电流采样保持电路7、输出电压采样保持电路8、导通能量损耗采样保持电路15、输出能量采样保持电路16、关断能量损耗采样保持电路18可以利用现有的具有采样保持功能的电路予以实现，例如可以采用SHC5320芯片辅以相应的外围电路。
输入能量计算电路9、输出能量计算电路10可以采用现有的能够实现相应运算功能的电路予以实现，例如可以利用乘法器AD734搭建输入功率和输出功率的计算电路，利用运放搭建积分电路。在每个开关周期末对积分器进行复位的电路可以采用三极管构成积分电容的放电回路从而对积分器清零。
电感储能增量计算电路11、电容储能增量计算电路12可以采用现有的能够实现相应运算功能的电路予以实现，例如可以利用乘法器AD734搭建电感电流和输出电压的平方电路，再利用运放搭建减法电路。
负载计算电路13可以利用现有的能够实现相应运算功能的电路予以实现，例如可以利用AD734搭建除法电路。
能量损耗计算电路14及关断能量损耗计算电路17可以利用现有的能够实现相应运算功能的电路予以实现，例如可以利用运放搭建减法电路。
关断时期负载消耗能量计算电路19可以利用现有的能够实现相应运算功能和采样保持功能的电路予以实现，例如可以利用运放搭建减法电路，利用SHC5320芯片辅以相应的外围电路构成采样保持电路。
导通损耗等效内阻计算电路20、关断损耗等效内阻计算电路21可以利用现有的能够实现相应运算功能的电路予以实现，例如可以利用AD734搭建乘除法电路。
本发明提出的“一种直流变换器内部等效电阻辨识电路”，依据变换器主电路中电力电子器件导通和关断状态的不同，可有效识别出导通损耗等效电阻和关断损耗等效电阻。

Claims (9)

1.一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，包括变换器主电路和变换器控制辨识电路，其特征在于：
变换器主电路为BUCK型电路，变换器主电路包括：电力电子开关器件VT、续流二极管VD、滤波电感L、滤波电容C；
变换器控制辨识电路包括：输入电压检测电路(1)、电感电流检测电路(2)、输出电压检测电路(3)、输出电流检测电路(4)、方波信号电路(5)、输入电流选择电路(6)、电感电流采样保持电路(7)、输出电压采样保持电路(8)、输入能量计算电路(9)、输出能量计算电路(10)、电感储能增量计算电路(11)、电容储能增量计算电路(12)、负载计算电路(13)、能量损耗计算电路(14)、导通能量损耗采样保持电路(15)、输出能量采样保持电路(16)、关断能量损耗计算电路(17)、关断能量损耗采样保持电路(18)、关断时期负载消耗能量计算电路(19)、导通损耗等效内阻计算电路(20)、关断损耗等效内阻计算电路(21)、变换器控制驱动电路(CN)；
输入电压检测电路(1)并联在变换器主电路的输入端，检测并输出变换器主电路的输入电压uin，输入电压检测电路(1)的输出接至输入能量计算电路(9)的对应输入端；电感电流检测电路(2)与变换器主电路中的滤波电感L串联，检测并输出滤波电感L的电流iL进，电感电流检测电路(2)的输出端分别与输入电流选择电路(6)、电感电流采样保持电路(7)、电感储能增量计算电路(11)、变换器控制驱动电路(CN)的对应输入端连接；输出电压检测电路(3)并联在变换器主电路中的滤波电容C的两端，检测并输出变换器主电路的输出电压uout进行检测，输出电压检测电路(3)的输出端分别与输出能量计算电路(10)、输出电压采样保持电路(8)、电容储能增量计算电路(12)、负载计算电路(13)、变换器控制驱动电路(CN)的对应输入端连接；输出电流检测电路(4)串联在变换器主电路的正极性输出端，检测并输出变换器主电路的输出电流iout，输出电流检测电路(4)的输出端分别与输出能量计算电路(10)、负载计算电路(13)的对应输入端连接；方波信号电路(5)的输出端分别与电感电流采样保持电路(7)、输出电压采样保持电路(8)、输入能量计算电路(9)、输出能量计算电路(10)的对应输入端连接；输入电流选择电路(6)的输出端与输入能量计算电路(9)的对应输入端连接；电感电流采样保持电路(7)的输出端与电感储能增量计算电路(11)的对应输入端连接；输出电压采样保持电路(8)的输出端与电容储能增量计算电路(12)的对应输入端连接；输入能量计算电路(9)的输出端分别与能量损耗计算电路(14)和关断能量损耗计算电路(17)的对应输入端连接；输出能量计算电路(10)的输出端分别与能量损耗计算电路(14)、输出能量采样保持电路(16)、关断能量损耗计算电路(17)、关断时期负载消耗能量计算电路(19)的对应输入端连接；电感储能增量计算电路(11)的输出端分别与能量损耗计算电路(14)和关断能量损耗计算电路(17)的对应输入端连接；电容储能增量计算电路(12)的输出端分别与能量损耗计算电路(14)和关断能量损耗计算电路(17)的对应输入端连接；负载计算电路(13)的输出端分别与导通损耗等效内阻计算电路(20)和关断损耗等效内阻计算电路(21)的对应输入端连接；能量损耗计算电路(14)的输出端与导通能量损耗采样保持电路(15)的对应输入端连接；导通能量损耗采样保持电路(15)的输出端分别与关断能量损耗计算电路(17)和导通损耗等效内阻计算电路(20)的对应输入端连接；输出能量采样保持电路(16)的输出端分别与关断时期负载消耗能量计算电路(19)和导通损耗等效内阻计算电路(20)的对应输入端连接；关断能量损耗计算电路(17)的输出端与关断能量损耗采样保持电路(18)的对应输入端连接；关断能量损耗采样保持电路(18)的输出端与关断损耗等效内阻计算电路(21)的对应输入端连接；关断时期负载消耗能量计算电路(19)的输出端与关断损耗等效内阻计算电路(21)的对应输入端连接；导通损耗等效内阻计算电路(20)的输出端即为导通损耗等效内阻辨识值的信号输出端；关断损耗等效内阻计算电路(21)的输出端即为关断损耗等效内阻辨识值的信号输出端；变换器主电路输出电压给定信号Uref接至变换器控制驱动电路(CN)的对应输入端，变换器控制驱动电路(CN)的输出端在与变换器主电路中的电力电子开关器件VT的控制端连接的同时，还分别与方波信号电路(5)、输入电流选择电路(6)、导通能量损耗采样保持电路(15)、输出能量采样保持电路(16)、关断能量损耗采样保持电路(18)、关断时期负载消耗能量计算电路(19)、导通损耗等效内阻计算电路(20)、关断损耗等效内阻计算电路(21)的对应输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，其特征在于：所述方波信号电路(5)产生并输出固定占空比的方波信号，方波信号的频率与变换器控制驱动电路(CN)输出的PWM信号的频率相同，方波信号的上升沿与PWM信号的上升沿同步。
3.根据权利要求1所述的一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，其特征在于：当电力电子开关VT导通时，输入电流选择电路(6)的输出信号等于变换器主电路的输入电流，当电力电子开关VT关断时输入电流选择电路(6)的输出信号为零】 。
4.根据权利要求1所述的一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，其特征在于：电感电流采样保持电路(7)根据方波信号电路(5)产生的方波信号，将开关周期初始时刻时的变换器主电路的电感电流值作为输出信号一直保持到开关周期的结束时刻；
输出电压采样保持电路(8)根据方波信号电路(5)产生的方波信号，将开关周期初始时刻时的变换器主电路的输出电压值作为输出信号一直保持到开关周期的结束时刻。
5.根据权利要求1所述的一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，其特征在于：输入能量计算电路(9)根据获取的输入电压和电流信息，计算并输出从开关周期起始时刻至该开关周期内t时刻的时间段内变换器主电路获得的输入能量值W1，输入能量计算电路(9)根据方波信号电路(5)产生的方波信号，在每个开关周期末进行复位；
输出能量计算电路(10)根据获取的输出电压和输出电流信息，计算并输出从开关周期起始时刻至该开关周期内t时刻的时间段内变换器主电路的输出能量值W2，输出能量计算电路(10)根据方波信号电路(5)产生的方波信号，在每个开关周期末进行复位；
电感储能增量计算电路(11)根据获取的开关周期起始时刻时的电感电流值和t时刻的电感电流值，以及已知的滤波电感L的电感值，计算并输出从开关周期起始时刻至该开关周期内t时刻的滤波电感L的储能增量W3；
电容储能增量计算电路(12)根据获取的开关周期起始时刻的输出电压值和t时刻的输出电压值，以及已知的滤波电容C的电容值，计算并输出从开关周期起始时刻至该开关周期内t时刻的滤波电容C的储能增量W4；
能量损耗计算电路(14)计算并输出从当前开关周期起始时刻至t时刻的时间段内变换器主电路中的能量损耗值W5，W5满足：
W5＝W1-W2-W3-W4
负载计算电路(13)根据获取的变换器主电路的输出电压和输出电流值，计算并输出变换器主电路的负载等效电阻R1；
当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号为高电平时，导通能量损耗采样保持电路(15)的输出信号等于输入信号W5，当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号由高电平变为低电平时，导通能量损耗采样保持电路(15)将下降沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM信号高电平到来之前的时间段内，导通能量损耗采样保持电路(15)的输出保持为下降沿时刻的输入信号，导通能量损耗采样保持电路(15)的输出信号定义为导通损耗值W6；
当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号为高电平时，输出能量采样保持电路(16)的输出信号等于输入信号W2，当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号由高电平变为低电平时，输出能量采样保持电路(16)将下降沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM 信号高电平到来之前的时间段内，输出能量采样保持电路(16)的输出保持为该锁存值，输出能量采样保持电路16的输出信号定义为导通输出能量值W7；
关断能量损耗计算电路(17)获取变换器主电路的输入能量值W1、输出能量值W2、电感储能增量值W3、电容储能增量值W4和导通损耗值W6，计算并输出从开关周期内电平下降沿时刻至t时刻的时间段内变换器主电路的关断时期能量损耗值W8，W8满足：
W8＝W1-W2-W3-W4-W6
当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号为低电平时，关断能量损耗采样保持电路(18)的输出信号等于输入信号W8，当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号由低电平变为高电平时，关断能量损耗采样保持电路(18)将上升沿时刻的输入信号锁存，在下一个PWM信号低电平到来之前的时间段内，关断能量损耗采样保持电路(18)的输出保持为该锁存值，关断能量损耗采样保持电路(18)的输出信号定义为关断损耗值W9；
关断时期负载消耗能量计算电路(19)在变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号为低电平时，计算并输出从当前开关周期内电平下降沿时刻至t时刻的时间段内变换器主电路的关断时期输出能量值W10，当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号由低电平变为高电平时，关断时期负载消耗能量计算电路(19)将上升沿时刻计算出的关断时期输出能量值锁存，在下一个PWM信号低电平到来之前的时间段内，关断时期负载消耗能量计算电路(19)的输出保持为该锁存值，关断时期负载消耗能量计算电路(19)的输出信号为关断输出能量值W10，W10满足：
W10＝W2-W7
当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号为低电平时，导通损耗等效内阻计算电路(20)根据获取的负载等效电阻R1、导通损耗值W6以及导通输出能量值W7，计算出导通损耗等效电阻R2，并将计算结果通过数据总线传递给上位机或者显示装置，当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号为高电平时，导通损耗等效内阻计算电路20停止计算，R2满足：
Figure FDA0002727252420000041
当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号为高电平时，关断损耗等效内阻计算电路(21)根据获取的负载等效电阻R1、关断损耗值W9以及关断输出能量值W10，计算关断损耗等效电阻R3，并将计算结果通过数据总线传递给上位机或者显示装置，当变换器控制驱动电路(CN)发出的PWM信号为低电平时，关断损耗等效内阻计算电路21停止计算，R3满足：
Figure FDA0002727252420000051
6.根据权利要求1所述的一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，其特征在于：变换器控制驱动电路(CN)根据Uref、uout和iL采用电压电流双闭环控制策略，输出固定开关频率的PWM信号，以上升沿作为每一个开关周期的起始时刻，控制变换器主电路中电力电子开关器件VT的导通和关断，使得变换器主电路的输出电压在稳态运行时等于输出电压给定值。
7.根据权利要求1所述的一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，其特征在于：输入电流选择电路(6)采用CD4053芯片。
8.根据权利要求1所述的一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，其特征在于：电感电流采样保持电路(7)、输出电压采样保持电路(8)、导通能量损耗采样保持电路(15)、输出能量采样保持电路(16)、关断能量损耗采样保持电路(18)、关断时期负载消耗能量计算电路(19)采用SHC5320芯片。
9.根据权利要求1所述的一种直流变换器内部等效电阻辨识电路，其特征在于：输入能量计算电路(9)、输出能量计算电路(10)、电感储能增量计算电路(11)、电容储能增量计算电路(12)、负载计算电路(13)、导通损耗等效内阻计算电路(20)、关断损耗等效内阻计算电路(21)采用乘法器AD734。
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