CN112234825A - 一种均压控制电路及其控制方法 - Google Patents

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CN112234825A CN202011204970.5A CN202011204970A CN112234825A CN 112234825 A CN112234825 A CN 112234825A CN 202011204970 A CN202011204970 A CN 202011204970A CN 112234825 A CN112234825 A CN 112234825A
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Abstract

本发明公开了一种均压控制电路及其控制方法，所述控制电路包括三路串联连接的主功率电路、采样电路以及主控芯片，三路所述主功率电路的输出端均与采样电路的输入端连接，采样电路的输出端与主控芯片连接，主控芯片分别与三路主功率电路的控制端连接，每一路主功率电路包括全桥变换模块、谐振模块、整流模块以及滤波模块，全桥变换模块、谐振模块、整流模块以及滤波模块依次连接；直流电源轻载或者空载输出时，三路主功率电路通过复制发波的方式进行PWM控制同时其中两路主功率电路的输出均压环起作用进行驱动信号占空比微调，实现均压控制；本发明的优点在于：解决直流电源空载或轻载输出时无法均压的问题。

Description

一种均压控制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及测量测试用电子设备领域，更具体涉及一种均压控制电路及其控制方法。
背景技术
在电子技术领域，直流测试电源是电力电子企业必不可少的测试仪器之一，由于很多被测设备需要高压测试，所以就要求我们的直流测试电源能够提供高电压输出，以满足各种测试环境。而全桥变换是目前高频直流测试电源常用的一种拓扑，而全桥变换拓扑由于受现有半导体器件发展水平的限制，导致单路很难实现高压输出，所以会用多路串联实现高压输出，但空载或轻载输出时主控制信号占空比很小，硬件的个体差异会导致各个模块无法实现均压输出。现有的通过加死负载的方法，一方面大大地降低了电源本身的效率，另一方面，也会令电源体积、成本有所增加；现也有通过单独控制发波的方法，这样会占用大量DSP资源。
中国专利公开号CN108494259A，公开了一种高压直流电源串并联组合系统的控制方法，属于高压直流电源和电压电流控制相关技术领域。高压直流电源IPOS组合系统在正常工作时，电压外环在每个开关周期对系统输出电压和各模块输出电压进行采样，通过PI控制策略对系统输出电压进行调节，同时实现输出均压；电流内环主要是采用无差拍控制策略对系统中逆变模块输出电流进行控制，减小电流波形的畸变率，提高系统瞬时响应速度。该专利申请中的控制方法不仅可获得高电压大功率，而且减小了输入侧开关的电流应力和输出侧器件电压应力，同时加快了动态响应速度，提高了控制精度。该专利申请适用于要求高输出电压和快速动态响应的高压直流电源。但是其没有解决直流电源空载或轻载输出时无法均压的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术直流电源存在空载或轻载输出时无法均压的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种均压控制电路，包括三路串联连接的主功率电路、采样电路以及主控芯片，三路所述主功率电路的输出端均与采样电路的输入端连接，采样电路的输出端与主控芯片连接，主控芯片分别与三路主功率电路的控制端连接，每一路主功率电路包括全桥变换模块、谐振模块、整流模块以及滤波模块，所述全桥变换模块、谐振模块、整流模块以及滤波模块依次连接；直流电源轻载或者空载输出时，三路主功率电路通过复制发波的方式进行PWM控制同时其中两路主功率电路的输出均压环起作用进行驱动信号占空比微调，实现均压控制。
本发明通过设计串联连接的主功率电路，输出每路电压采样送给主控芯片。工作时，直流电压反馈给三路主功率电路的控制端，通过主控芯片发出的脉冲驱动信号来控制全桥变换模块的导通与关断，主控芯片通过调节驱动信号的占空比来实现输出电压及功率的大小，通过谐振模块、整流模块以及滤波模块且三路主功率电路串联达到指定高压均压输出，直流电源轻载或者空载输出时，三路主功率电路通过复制发波的方式进行PWM控制同时其中两路主功率电路的输出均压环起作用进行驱动信号占空比微调，实现均压控制，解决空载或轻载输出时无法均压的问题。
进一步地，所述全桥变换模块包括电容C3n、开关管An、开关管Bn、开关管Cn和开关管Dn，所述电容C3n的一端与开关管An的源极连接，开关管An的漏极与开关管Cn的源极连接，开关管Cn的漏极与电容C3n的另一端连接，开关管Bn的源极与开关管An的源极连接，开关管Bn的漏极与开关管Dn的源极连接，开关管Dn的漏极与开关管Cn的漏极连接，其中，n取1、2或3，n表示第n路主功率电路。
更进一步地，所述谐振模块包括电感L1n、电容C1n以及电感L2n，所述电感L1n的一端与开关管An的漏极连接，电感L1n的另一端通过电容C1n与电感L2n的一端连接。
再进一步地，所述整流模块包括变压器Tn、二极管D1n、二极管D2n、二极管D3n、以及二极管D4n，所述变压器Tn的原边线圈的一端与电感L2n的另一端连接，变压器Tn的原边线圈的另一端与开关管Dn的源极连接，变压器Tn的副边线圈的一端与二极管D1n的阳极以及二极管D2n的阴极连接，变压器Tn的副边线圈的另一端与二极管D3n的阳极以及二极管D4n的阴极连接，二极管D3n的阴极与二极管D1n的阴极连接，二极管D4n的阳极与二极管D2n的阳极连接。
再进一步地，所述滤波模块包括电感L3n、电容C2n以及负载Rn，所述电感L3n的一端与二极管D3n的阴极连接，电感L3n的另一端分别与电容C2n的一端以及负载Rn的一端连接，电容C2n的另一端以及负载Rn的另一端均与二极管D4n的阳极连接。
进一步地，所述主控芯片的型号为TMS320F28335。
进一步地，所述采样电路的主芯片型号为ADMC401。
本发明还提供一种均压控制电路的控制方法，所述方法包括：三路主功率电路的输出电压之和为UO，第二路主功率电路与第三路主功率电路的输出电压之和为2UO/3，第三路主功率电路的输出电压为UO/3，三路主功率电路的输出电压之和与参考电压Uref进行比较以后输入给第三PI调节器，第三PI调节器输出结果与原边电流的均值进行比较，比较结果输出给第四PI调节器，第四PI调节器输出三路相同的PWM波分别对三路主功率电路进行PWM控制，第二路主功率电路与第三路主功率电路的输出电压之和2UO/3经采样电路采样以后主控芯片将其与三路主功率电路的输出电压之和为UO作差获取第一主功率电路的电压，将第一主功率电路的电压与参考值进行比较并将比较结果输入给第一PI调节器，第一PI调节器作为第一主功率电路的输出均压环对第一主功率电路的驱动信号占空比进行微调，控制第一路主功率电路；第三路主功率电路的输出电压经采样电路采样以后主控芯片将采样值与参考值进行比较并将比较结果输入给第二PI调节器，第二PI调节器作为第三主功率电路的输出均压环对第三主功率电路的驱动信号占空比进行微调，控制第三路主功率电路。
进一步地，所述方法还包括：在进行均压控制之前先测试没有对第二路主功率电路以及第三路主功率电路进行均压控制的情况下输出端加多大负载可以均压输出。
更进一步地，所述测试没有对第二路主功率电路以及第三路主功率电路进行均压控制的情况下输出端加多大负载可以均压输出，包括：使第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环开环，空载输出，监控每路输出电压，逐渐的增加负载直至均压输出，并记录输出电流Imin，当输出电流低于Imin时，第四PI调节器输出三路相同的PWM波对第一路主功率电路、第二路主功率电路以及第三路主功率电路进行PI调节，同时第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环起作用也即第一PI调节器和第二PI调节器起作用，对各路主功率电路的驱动信号占空比进行微调，实现空载或轻载时均压；当输出电流大于Imin时，屏蔽第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环，直接由第四PI调节器输出三路相同的PWM波即对三路主功率电路复制发波控制，实现自然均压。
本发明的优点在于：
(1)本发明通过设计串联连接的主功率电路，输出每路电压采样送给主控芯片。工作时，直流电压反馈给三路主功率电路的控制端，通过主控芯片发出的脉冲驱动信号来控制全桥变换模块的导通与关断，主控芯片通过调节驱动信号的占空比来实现输出电压及功率的大小，直流电源轻载或者空载输出时，三路主功率电路通过复制发波的方式进行PWM控制同时输出均压环起作用进行驱动信号占空比微调，实现均压控制，解决空载或轻载输出时无法均压的问题。
(2)本发明提供的均压控制方法，当输出电流低于Imin也即直流电源空载或轻载输出时，对第一主功率电路、第二路主功率电路以及第三路主功率电路进行PI调节，第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环起作用，三路驱动信号复制发波再利用均压环进行微调，逻辑清晰控制简单。
(3)本发明提供的均压控制方法，当输出电流大于Imin时，屏蔽第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环，对第一路主功率电路进行PI调节，直接由第四PI调节器输出三路相同的PWM波即对三路主功率电路复制发波控制，可以达到自然均压的效果，此时控制简单，所需PI调节器少，且由于电流大于Imin时能够达到自然均压，不需要进行均压调节，所以直接屏蔽第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环，由此只需第三PI调节器以及第四PI调节器起作用，减少了控制逻辑，简化控制步骤，比三路单独控制占用DSP资源少。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种均压控制电路的原理图；
图2为本发明实施例所提供的一种均压控制电路的驱动信号波形图；
图3为本发明实施例所提供的一种均压控制电路的控制方法的控制逻辑示意图；
图4为本发明实施例所提供的一种均压控制电路的控制方法中输出电流大于Imin时的控制逻辑示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种均压控制电路，包括三路串联连接的主功率电路、采样电路U1以及主控芯片U2，三路所述主功率电路的输出端均与采样电路U1的输入端连接，采样电路U1的输出端与主控芯片U2连接，主控芯片U2分别与三路主功率电路的控制端连接，每一路主功率电路包括全桥变换模块1、谐振模块2、整流模块3以及滤波模块4，所述全桥变换模块1、谐振模块2、整流模块3以及滤波模块4依次连接；直流电源轻载或者空载输出时，三路主功率电路通过复制发波的方式进行PWM控制同时输出均压环起作用进行驱动信号占空比微调，实现均压控制。所述主控芯片U2的型号为TMS320F28335。所述采样电路U1的主芯片型号为ADMC401。
所述全桥变换模块1包括电容C3n、开关管An、开关管Bn、开关管Cn和开关管Dn，所述电容C3n的一端与开关管An的源极连接，开关管An的漏极与开关管Cn的源极连接，开关管Cn的漏极与电容C3n的另一端连接，开关管Bn的源极与开关管An的源极连接，开关管Bn的漏极与开关管Dn的源极连接，开关管Dn的漏极与开关管Cn的漏极连接，其中，n取1、2或3，n表示第n路主功率电路。
所述谐振模块2包括电感L1n、电容C1n以及电感L2n，所述电感L1n的一端与开关管An的漏极连接，电感L1n的另一端通过电容C1n与电感L2n的一端连接。
所述整流模块3包括变压器Tn、二极管D1n、二极管D2n、二极管D3n、以及二极管D4n，所述变压器Tn的原边线圈的一端与电感L2n的另一端连接，变压器Tn的原边线圈的另一端与开关管Dn的源极连接，变压器Tn的副边线圈的一端与二极管D1n的阳极以及二极管D2n的阴极连接，变压器Tn的副边线圈的另一端与二极管D3n的阳极以及二极管D4n的阴极连接，二极管D3n的阴极与二极管D1n的阴极连接，二极管D4n的阳极与二极管D2n的阳极连接。
所述滤波模块4包括电感L3n、电容C2n以及负载Rn，所述电感L3n的一端与二极管D3n的阴极连接，电感L3n的另一端分别与电容C2n的一端以及负载Rn的一端连接，电容C2n的另一端以及负载Rn的另一端均与二极管D4n的阳极连接。
原边三路由四个开关管组成的全桥变换结构及谐振电感、隔直电容组成，副边三路由整流电路及LC滤波电路组成，输出每路电压采样送给主控芯片U2。工作时，直流电压加在母线Vbus+与Vbus-之间，通过主控芯片U2发出的脉冲驱动信号来控制4个开关管An、Bn、Cn、Dn的导通与关断，而PWM模式下主控芯片U2通过调节驱动信号的占空比来实现输出电压及功率的大小，然后再通过变压器，达到原副边电气隔离以及升压或降压的效果，最后通过LC滤波并且三路串联达到指定高压均压输出。每个开关管的驱动信号波形如图2所示。
而实际由于硬件的个体差异导致开关管实际的导通时间会有误差，而在空载或轻载情况下，由于输出端没有足够的负载去把这部分能量给消耗掉，开关管实际的占空比会很小，所以每路实际开关管占空比会相差比较大，导致三路输出不均压。本发明采用三路驱动信号复制发波再微调的方式来控制。1/3Uo、2/3Uo输出均压环给电流内环输出，通过微调每路开关管的驱动信号占空比来实现均压输出，但是要对均压环改变的占空比大小进行限制，以下详细介绍具体控制方法，如图3所示，本发明还提供一种均压控制电路的控制方法，所述方法包括：三路主功率电路的输出电压之和为UO，第二路主功率电路与第三路主功率电路的输出电压之和为2UO/3，第三路主功率电路的输出电压为UO/3，三路主功率电路的输出电压之和与参考电压Uref进行比较以后输入给第三PI调节器，第三PI调节器输出结果与原边电流的均值进行比较，比较结果输出给第四PI调节器，第四PI调节器输出三路相同的PWM波分别对三路主功率电路进行PWM控制；第二路主功率电路与第三路主功率电路的输出电压之和2UO/3经采样电路采样以后主控芯片将其与三路主功率电路的输出电压之和为UO作差获取第一主功率电路的电压，将第一主功率电路的电压与参考值进行比较并将比较结果输入给第一PI调节器，第一PI调节器作为第一主功率电路的输出均压环对第一主功率电路的驱动信号占空比进行微调，控制第一路主功率电路；第三路主功率电路的输出电压经采样电路采样以后主控芯片将采样值与参考值进行比较并将比较结果输入给第二PI调节器，第二PI调节器作为第三主功率电路的输出均压环对第三主功率电路的驱动信号占空比进行微调，控制第三路主功率电路。
所述方法还包括：在进行均压控制之前先测试没有对第二路主功率电路以及第三路主功率电路进行均压控制的情况下输出端加多大负载可以均压输出。
所述测试没有对第二路主功率电路以及第三路主功率电路进行均压控制的情况下输出端加多大负载可以均压输出，包括：使第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环开环，空载输出，监控每路输出电压，逐渐的增加负载直至均压输出，并记录输出电流Imin，当输出电流低于Imin也即直流电源空载或轻载输出时，第四PI调节器输出三路相同的PWM波对第一路主功率电路、第二路主功率电路以及第三路主功率电路进行PI调节，同时第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环起作用也即第一PI调节器和第二PI调节器起作用，对各路主功率电路的驱动信号占空比进行微调，，三路驱动信号复制发波再利用均压环进行微调，逻辑清晰控制简单；如图4所示，当输出电流大于Imin时，屏蔽第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环，直接由第四PI调节器输出三路相同的PWM波即对三路主功率电路复制发波控制，，采用复制发波的方式，三路PWM相同，可以达到自然均压的效果，此时控制简单，所需PI调节器少，且由于电流大于Imin时能够达到自然均压，不需要进行均压调节，所以直接屏蔽第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环，由此只需第三PI调节器以及第四PI调节器起作用，减少了控制逻辑，简化控制步骤，比三路单独控制占用DSP资源少。
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)

1.一种均压控制电路，其特征在于，包括三路串联连接的主功率电路、采样电路以及主控芯片，三路所述主功率电路的输出端均与采样电路的输入端连接，采样电路的输出端与主控芯片连接，主控芯片分别与三路主功率电路的控制端连接，每一路主功率电路包括全桥变换模块、谐振模块、整流模块以及滤波模块，所述全桥变换模块、谐振模块、整流模块以及滤波模块依次连接；直流电源轻载或者空载输出时，三路主功率电路通过复制发波的方式进行PWM控制同时其中两路主功率电路的输出均压环起作用进行驱动信号占空比微调，实现均压控制。
2.根据权利要求1所述的一种均压控制电路，其特征在于，所述全桥变换模块包括电容C3n、开关管An、开关管Bn、开关管Cn和开关管Dn，所述电容C3n的一端与开关管An的源极连接，开关管An的漏极与开关管Cn的源极连接，开关管Cn的漏极与电容C3n的另一端连接，开关管Bn的源极与开关管An的源极连接，开关管Bn的漏极与开关管Dn的源极连接，开关管Dn的漏极与开关管Cn的漏极连接，其中，n取1、2或3，n表示第n路主功率电路。
3.根据权利要求2所述的一种均压控制电路，其特征在于，所述谐振模块包括电感L1n、电容C1n以及电感L2n，所述电感L1n的一端与开关管An的漏极连接，电感L1n的另一端通过电容C1n与电感L2n的一端连接。
4.根据权利要求3所述的一种均压控制电路，其特征在于，所述整流模块包括变压器Tn、二极管D1n、二极管D2n、二极管D3n、以及二极管D4n，所述变压器Tn的原边线圈的一端与电感L2n的另一端连接，变压器Tn的原边线圈的另一端与开关管Dn的源极连接，变压器Tn的副边线圈的一端与二极管D1n的阳极以及二极管D2n的阴极连接，变压器Tn的副边线圈的另一端与二极管D3n的阳极以及二极管D4n的阴极连接，二极管D3n的阴极与二极管D1n的阴极连接，二极管D4n的阳极与二极管D2n的阳极连接。
5.根据权利要求4所述的一种均压控制电路，其特征在于，所述滤波模块包括电感L3n、电容C2n以及负载Rn，所述电感L3n的一端与二极管D3n的阴极连接，电感L3n的另一端分别与电容C2n的一端以及负载Rn的一端连接，电容C2n的另一端以及负载Rn的另一端均与二极管D4n的阳极连接。
6.根据权利要求1所述的一种均压控制电路，其特征在于，所述主控芯片的型号为TMS320F28335。
7.根据权利要求1所述的一种均压控制电路，其特征在于，所述采样电路的主芯片型号为ADMC401。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种均压控制电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括：三路主功率电路的输出电压之和为UO，第二路主功率电路与第三路主功率电路的输出电压之和为2UO/3，第三路主功率电路的输出电压为UO/3，三路主功率电路的输出电压之和与参考电压Uref进行比较以后输入给第三PI调节器，第三PI调节器输出结果与原边电流的均值进行比较，比较结果输出给第四PI调节器，第四PI调节器输出三路相同的PWM波分别对三路主功率电路进行PWM控制，第二路主功率电路与第三路主功率电路的输出电压之和2UO/3经采样电路采样以后主控芯片将其与三路主功率电路的输出电压之和为UO作差获取第一主功率电路的电压，将第一主功率电路的电压与参考值进行比较并将比较结果输入给第一PI调节器，第一PI调节器作为第一主功率电路的输出均压环对第一主功率电路的驱动信号占空比进行微调，控制第一路主功率电路；第三路主功率电路的输出电压经采样电路采样以后主控芯片将采样值与参考值进行比较并将比较结果输入给第二PI调节器，第二PI调节器作为第三主功率电路的输出均压环对第三主功率电路的驱动信号占空比进行微调，控制第三路主功率电路。
9.根据权利要求8所述的一种均压控制电路的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在进行均压控制之前先测试没有对第二路主功率电路以及第三路主功率电路进行均压控制的情况下输出端加多大负载可以均压输出。
10.根据权利要求9所述的一种均压控制电路的控制方法，其特征在于，所述测试没有对第二路主功率电路以及第三路主功率电路进行均压控制的情况下输出端加多大负载可以均压输出，包括：使第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环开环，空载输出，监控每路输出电压，逐渐的增加负载直至均压输出，并记录输出电流Imin，当输出电流低于Imin时，第四PI调节器输出三路相同的PWM波对第一路主功率电路、第二路主功率电路以及第三路主功率电路进行PI调节，同时第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环起作用也即第一PI调节器和第二PI调节器起作用，对各路主功率电路的驱动信号占空比进行微调，实现空载或轻载时均压；当输出电流大于Imin时，屏蔽第二路主功率电路以及第三路主功率电路的输出均压环，直接由第四PI调节器输出三路相同的PWM波即对三路主功率电路复制发波控制，实现自然均压。
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