CN111327189A - 两级变换器的直流母线调压方法及装置 - Google Patents

两级变换器的直流母线调压方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两级变换器的直流母线调压方法及装置，根据输出电压和输出电流两个维度来调节DCDC变换器的母线电压，保证DCM态下的母线电压远低于满载CCM态时的母线电压，从而可以降低DCM态时输出二极管的电压应力，特别是降低二极管最大电压尖峰，同时也可以降低功率MOS管在DCM态下的电压尖峰，从而提高电路的可靠性，同时可以减少二极管吸收电路，也可以选用等级更低的二极管，降低电路成本。

Description

两级变换器的直流母线调压方法及装置
技术领域
本发明是关于开关电源领域，特别是关于一种两级变换器的直流母线调压方法及装置。
背景技术
高频开关源中，两级变换器电路图如图1所示，包括第一级的PFC变换器(功率因数校正变换器)，及第二级的DCDC变换器。其中，Vdc为DCDC变换器的母线电压值。在实际应用中，DCDC变换器往往会出现二极管电压应力过大而被损坏的情况，导致电路可靠性差，为了减少二极管损坏，可以增加二极管吸收电路或者选用的电压等级更高的二极管，但是增加了电路成本。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两级变换器的直流母线调压方法及装置，其能够降低二极管最大电压尖峰，提高电路可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了一种两级变换器的直流母线调压方法，所述两级变换器包括一级的功率因数校正变换器以及二级的DCDC变换器，所述直流母线调压方法包括：根据所述DCDC变换器的输出电压和输出电流的大小来调节所述DCDC变换器的母线电压值。
在本发明的一实施方式中，根据所述DCDC变换器的输出电压和输出电流的大小来调节所述DCDC变换器的母线电压值包括：根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量；根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值。
在本发明的一实施方式中，根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量包括：若所述输出电压的值Vo介于DCDC变换器的最小输出电压值Vomin和第一输出电压值Vo1之间，则所述母线电压的第一调节量Vdc_vout＝Vdc1；若所述输出电压的值Vo介于所述第一输出电压值Vo1和所述DCDC变换器的最大输出电压值Vomax之间，则所述母线电压的第一调节量
Figure BDA0002426802260000021
其中Vdcmax为所述DCDC变换器的最大母线电压值。
在本发明的一实施方式中，根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值包括：若所述输出电流的值Io小于第一输出电流值Io1，则所述母线电压值Vdc＝Vdc2；若所述输出电流的值Io介于所述第一输出电流值Io1和第二输出电流值Io2之间，则所述母线电压值
Figure BDA0002426802260000022
若所述输出电流的值Io介于所述第二输出电流值Io2和所述DCDC变换器的最大输出电流值Iomax之间，则所述母线电压值Vdc＝Vdc_vout。
在本发明的一实施方式中，所述第一输出电流值Io1为所述DCDC变换器的母线电压值为Vdc2、输出电压值为Vomax且输出电感L工作在电流从断续到连续的临界模式时的输出电流值。
本发明还提供了一种两级变换器的直流母线调压装置，所述两级变换器包括一级的功率因数校正变换器以及二级的DCDC变换器。所述直流母线调压装置包括：母线电压调节模块，其用于根据所述DCDC变换器的输出电压和输出电流的大小来调节所述DCDC变换器的母线电压值。
在本发明的一实施方式中，所述母线电压调节模块包括：第一调节量计算模块和母线电压值计算模块。第一调节量计算模块用于根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量。母线电压值计算模块与所述第一调节量计算模块相耦合，用于根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值。
在本发明的一实施方式中，所述第一调节量计算模块根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量包括：若所述输出电压的值Vo介于DCDC变换器的最小输出电压值Vomin和第一输出电压值Vo1之间，则母线电压的第一调节量Vdc_vout＝Vdc1；若所述输出电压的值Vo介于所述第一输出电压值Vo1和所述DCDC变换器的最大输出电压值Vomax之间，则母线电压的第一调节量
Figure BDA0002426802260000031
其中Vdcmax为所述DCDC变换器的最大母线电压值。
在本发明的一实施方式中，所述母线电压值计算模块根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值包括：若所述输出电流的值Io小于第一输出电流值Io1，则所述母线电压值Vdc＝Vdc2；若所述输出电流的值Io介于所述第一输出电流值Io1和第二输出电流值Io2之间，则所述母线电压值
Figure BDA0002426802260000032
若所述输出电流的值Io介于所述第二输出电流值Io2和所述DCDC变换器的最大输出电流值Iomax之间，则所述母线电压值Vdc＝Vdc_vout。
在本发明的一实施方式中，所述第一输出电流值Io1为所述DCDC变换器的母线电压为Vdc2、输出电压为Vomax且输出电感L工作在电流从断续到连续的临界模式时的输出电流值。
与现有技术相比，根据本发明的两级变换器的直流母线调压方法及装置根据输出电压和输出电流两个维度来调节DCDC变换器的母线电压，保证DCM态下的母线电压远低于满载CCM态势的母线电压，从而可以降低DCM态时输出二极管的电压应力，特别是降低二极管最大电压尖峰，同时也可以降低功率MOS管在DCM态下的电压尖峰，从而提高电路的可靠性，同时可以减少二极管吸收电路，也可以选用等级更低的二极管，降低电路成本。
附图说明
图1是根据现有技术的高频开关源中的两级变换器电路；
图2是根据本发明一实施方式的三电平全桥变换器；
图3是根据本发明一实施方式的三电平全桥变换器的输出等效电路；
图4是根据本发明一实施方式的三电平全桥变换器工作在断续模式下的时序状态图；
图5是根据本发明一实施方式的母线调压方法的步骤组成；
图6是根据本发明一实施方式的第一调节量与输出电压的函数关系；
图7是根据本发明一实施方式的母线电压与输出电流的函数关系；
图8是根据本发明一实施方式的母线电压和输出电压、输出电流相关的二维函数；
图9是根据本发明一实施方式的直流母线调压装置的结构组成。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
为了克服两级变换器中的DCDC电路二极管电压应力过大引起的二极管损坏问题，发明人进行了以下研究，首先对DCDC变换器的CCM工作状态以及DCM工作状态进行分析，发现输出二极管电压应力在CCM(连续导通模式)工作状态下并不高，而在DCM(非连续导通模式)工作状态下应力更大，且电压应力最大值都是出现在输出为最大电压Vomax时，空载投轻载、或重载切轻载动态过程中，电压应力最大的时刻都是在输出电感电流快由断续进入连续时的DCM阶段。
为便于理解，以三电平全桥变换器为例，说明下电压应力最大值的时刻。图2是一种三电平全桥变换器，属于一种DCDC变换器。图3为三电平全桥变换器的输出等效电路。图4是三电平全桥变换器工作在断续模式下的时序状态图。
从t0到t1阶段，Vab为高电平，二极管D1、D4导通，二极管D2、D3承受Vab反向耐压，电感L储能，电感电流Li上升。从t1到t2阶段，原边外侧MOS管关断，Vab变为0电平，输出电感L开始续流，输出二极管D1、D2、D3、D4全部导通，该阶段电感电流下降。从t2到t3阶段，t2时刻电感电流下降到0，输出电解电容Co，反向给输出二极管寄生电容C1、C2、C3、C4充电，该阶段二极管寄生电容和电感L产生谐振，在输出二极管上产生电压尖峰，每个二极管尖峰电压理论最大值Vmax＝Vo/2(假设处于理想状态，输出二极管寄生电容C1、C2、C3、C4都相等)。从t3到t4阶段，t3时刻，原边另外一侧MOS管导通，Vab由0变为负压，D2、D3导通，Vab给D1、D4寄生电容C1、C4充电，此时二极管产生的电压尖峰为二极管反向恢复造成。若t3时刻，二极管寄生电容C1、C4正好在续流阶段且电压被充到谐振峰值，则Vab给C1、C4充电的电压会和该谐振峰值电压叠加，让D1、D4产生更高的电压尖峰。出现这样的时刻，需同时满足一定值的占空比和输出电流，故工作在稳态时，不容易出现这种巧合时刻，但是在投切载过程中，很容易触发到，该状态都是发生在输出电感电流快由断续进入连续的时刻。
因此电压应力最大值的时刻都是在输出电感电流快由断续进行连续时的DCM阶段。发明人发现现有的母线调压策略中，在同样的输出电压下，DCM态对应的母线电压值Vdc和输出满载时都是一样，譬如输出最大电压Vomax，空载和满载对应的母线电压都为最大值Vdcmax。若采用该母线调压策略，则在输出最大电压为Vomax时，电感电流快由断续进行连续状态下时，则会造成较大的二极管电压尖峰，从而较易损坏二极管。
如果能够降低最大的二极管电压尖峰，就可以更好地保护二极管。二极管电压尖峰和母线电压Vdc相关，降低对应的母线电压可以降低输出二极管最大电压尖峰。最大二极管电压尖峰时刻，DCDC变换器工作在DCM模式，其对应的母线电压Vdc可以远低于满载时的Vdc，只需满足DCDC变换器副边输出电压略高于输出电压即可有足够的输出能力。全桥变换器工作在轻载时，原边占空比丢失非常小，故工作在轻载时即使进入CCM态降低母线电压，也可满足足够的输出能力。
基于上述研究，发明人提出了一种两级变换器的母线调压方法，根据输出电压和输出电流两个维度来调节DCDC变换器的母线电压，保证DCM态下的母线电压远低于满载CCM态势的母线电压，从而可以降低DCM态时输出二极管的电压应力，特别是降低二极管最大电压尖峰，同时也可以降低功率MOS管在DCM态下的电压尖峰，从而提高电路的可靠性，同时可以减少二极管吸收电路，也可以选用等级更低的二极管，降低电路成本。
图5是根据本发明一实施方式的母线调压方法，所述直流母线调压方法包括：步骤S1和步骤S2。
在步骤S1中根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量。
在步骤S2中根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值。
具体而言，根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量包括：若所述输出电压的值Vo介于DCDC变换器的最小输出电压值Vomin和第一输出电压值Vo1之间，则所述母线电压的第一调节量Vdc_vout＝Vdc1；若所述输出电压的值Vo介于所述第一输出电压值Vo1和所述DCDC变换器的最大输出电压值Vomax之间，则所述母线电压的第一调节量
Figure BDA0002426802260000071
Figure BDA0002426802260000072
其中Vdcmax为所述DCDC变换器的最大母线电压值。第一调节量与输出电压的函数关系如图6所示。
根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值包括：若所述输出电流的值Io小于第一输出电流值Io1，则所述母线电压值Vdc＝Vdc2；若所述输出电流的值Io介于所述第一输出电流值Io1和第二输出电流值Io2之间，则所述母线电压值
Figure BDA0002426802260000073
Figure BDA0002426802260000074
若所述输出电流的值Io介于所述第二输出电流值Io2和所述DCDC变换器的最大输出电流值Iomax之间，则所述母线电压值Vdc＝Vdc_vout。母线电压与输出电流的函数关系如图7所示。
在选取第一输出电流值Io1时，选择所述DCDC变换器的母线电压值为Vdc2、输出电压值为Vomax且输出电感L工作在电流从断续到连续的临界模式时的输出电流值为所述第一输出电流值。Vdc2可大幅低于满载时对应的母线电压，母线电压为Vdc2时，工作在临界连续状态；Io2的选取和变换器输出能力相关，在确保输出能力足够的前提下，可以尽量取大，这样可使更宽范围的输出电流对应的母线电压大幅低于满载时的Vdc。最终的母线电压Vdc是和输出电压、输出电流相关的二维函数，Vdc＝f(Vo，Io)。图8为一实施方式的函数图像。
根据同样的发明构思，本发明还提供了一种两级变换器的直流母线调压装置。图9是根据本发明一实施方式的两级变换器的直流母线调压装置的结构组成。所述直流母线调压装置包括：母线电压调节模块10。母线电压调节模块10用于根据所述DCDC变换器的输出电压和输出电流的大小来调节所述DCDC变换器的母线电压值。该母线电压调节模块包括：第一调节量计算模块10a和母线电压值计算模块10b。
第一调节量计算模块10a用于根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量。
母线电压值计算模块10b与所述第一调节量计算模块10a相耦合，用于根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值。
具体而言，所述第一调节量计算模块10a根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量包括：若所述输出电压的值Vo介于DCDC变换器的最小输出电压值Vomin和第一输出电压值Vo1之间，则母线电压的第一调节量Vdc_vout＝Vdc1；若所述输出电压的值Vo介于所述第一输出电压值Vo1和所述DCDC变换器的最大输出电压值Vomax之间，则母线电压的第一调节量
Figure BDA0002426802260000081
其中Vdcmax为所述DCDC变换器的最大母线电压值。
所述母线电压值计算模块10b根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值包括：若所述输出电流的值Io小于第一输出电流值Io1，则所述母线电压值Vdc＝Vdc2；若所述输出电流的值Io介于所述第一输出电流值Io1和第二输出电流值Io2之间，则所述母线电压值
Figure BDA0002426802260000082
若所述输出电流的值Io介于所述第二输出电流值Io2和所述DCDC变换器的最大输出电流值Iomax之间，则所述母线电压值Vdc＝Vdc_vout。
其中，所述第一输出电流值Io1为所述DCDC变换器的母线电压为Vdc2、输出电压为Vomax且输出电感L工作在电流从断续到连续的临界模式时的输出电流值。
综上，根据本实施方式的母线调压方法及装置根据输出电压和输出电流两个维度来调节DCDC变换器的母线电压，保证DCM态下的母线电压远低于满载CCM态势的母线电压，从而可以降低DCM态时输出二极管的电压应力，特别是降低二极管最大电压尖峰，同时也可以降低功率MOS管在DCM态下的电压尖峰，从而提高电路的可靠性，同时可以减少二极管吸收电路，也可以选用等级更低的二极管，降低电路成本。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种两级变换器的直流母线调压方法，所述两级变换器包括一级的功率因数校正变换器以及二级的DCDC变换器，其特征在于，所述直流母线调压方法包括：
根据所述DCDC变换器的输出电压和输出电流的大小来调节所述DCDC变换器的母线电压值。
2.如权利要求1所述的两级变换器的直流母线调压方法，其特征在于，根据所述DCDC变换器的输出电压和输出电流的大小来调节所述DCDC变换器的母线电压值包括：
根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量；以及
根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值。
3.如权利要求2所述的两级变换器的直流母线调压方法，其特征在于，根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量包括：
若所述输出电压的值Vo介于DCDC变换器的最小输出电压值Vomin和第一输出电压值Vo1之间，则所述母线电压的第一调节量Vdc_vout＝Vdc1；且
若所述输出电压的值Vo介于所述第一输出电压值Vo1和所述DCDC变换器的最大输出电压值Vomax之间，则所述母线电压的第一调节量
Figure FDA0002426802250000011
Figure FDA0002426802250000012
其中Vdcmax为所述DCDC变换器的最大母线电压值。
4.如权利要求3所述的两级变换器的直流母线调压方法，其特征在于，根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值包括：
若所述输出电流的值Io小于第一输出电流值Io1，则所述母线电压值Vdc＝Vdc2；
若所述输出电流的值Io介于所述第一输出电流值Io1和第二输出电流值Io2之间，则所述母线电压值
Figure FDA0002426802250000021
且
若所述输出电流的值Io介于所述第二输出电流值Io2和所述DCDC变换器的最大输出电流值Iomax之间，则所述母线电压值Vdc＝Vdc_vout。
5.如权利要求4所述的两级变换器的直流母线调压方法，其特征在于，所述第一输出电流值Io1为所述DCDC变换器的母线电压值为Vdc2、输出电压值为Vomax且输出电感L工作在电流从断续到连续的临界模式时的输出电流值。
6.一种两级变换器的直流母线调压装置，所述两级变换器包括一级的功率因数校正变换器以及二级的DCDC变换器，其特征在于，所述直流母线调压装置包括：
母线电压调节模块，用于根据所述DCDC变换器的输出电压和输出电流的大小来调节所述DCDC变换器的母线电压值。
7.如权利要求6所述的两级变换器的直流母线调压装置，其特征在于，所述母线电压调节模块包括：
第一调节量计算模块，用于根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量；以及
母线电压值计算模块，与所述第一调节量计算模块相耦合，用于根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值。
8.如权利要求7所述的两级变换器的直流母线调压装置，其特征在于，所述第一调节量计算模块根据所述输出电压的大小来计算母线电压的第一调节量包括：
若所述输出电压的值Vo介于DCDC变换器的最小输出电压值Vomin和第一输出电压值Vo1之间，则母线电压的第一调节量Vdc_vout＝Vdc1；且
若所述输出电压的值Vo介于所述第一输出电压值Vo1和所述DCDC变换器的最大输出电压值Vomax之间，则母线电压的第一调节量
Figure FDA0002426802250000031
Figure FDA0002426802250000032
其中Vdcmax为所述DCDC变换器的最大母线电压值。
9.如权利要求8所述的两级变换器的直流母线调压装置，其特征在于，所述母线电压值计算模块根据所述母线电压的第一调节量以及所述输出电流的大小计算调节后的母线电压值包括：
若所述输出电流的值Io小于第一输出电流值Io1，则所述母线电压值Vdc＝Vdc2；
若所述输出电流的值Io介于所述第一输出电流值Io1和第二输出电流值Io2之间，则所述母线电压值
Figure FDA0002426802250000033
且
若所述输出电流的值Io介于所述第二输出电流值Io2和所述DCDC变换器的最大输出电流值Iomax之间，则所述母线电压值Vdc＝Vdc_vout。
10.如权利要求9所述的两级变换器的直流母线调压装置，其特征在于，所述第一输出电流值Io1为所述DCDC变换器的母线电压为Vdc2、输出电压为Vomax且输出电感L工作在电流从断续到连续的临界模式时的输出电流值。
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