CN112886812A - 一种dc-dc变换器的动态调节方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种DC‑DC变换器的动态调节方法和装置，包括：S1、采集DC‑DC变换器的电气参数；S2、判断电气参数与参考值是否相同，若是，则返回步骤S1，若否，则根据电气参数和参考值获取控制信号；S3、将控制信号输入到受控源，使得受控源产生对应的控制电流；S4、通过控制电流增加受控源输出端的控制绕组中磁芯的磁感应强度，进而增加该磁芯的饱和程度，影响该磁芯的有效磁导率，使得绕在该磁芯上的电感的电感值发生变化，进而改变DC‑DC变换器的阻抗，以通过调节后的阻抗调节电气参数，并返回步骤S1，解决了现有技术通过调节开关器件的占空比和开关频率来调节变换器的阻抗，存在响应速度慢且控制设计复杂的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及DC-DC变换器技术领域，尤其涉及一种DC-DC变换器的动态调节方法和装置。
背景技术
现有的DC-DC变换器的闭环控制通常采用的是PI控制，通过调节变换器中开关器件的占空比或者频率来控制输出的电气参数。考虑到变换器的占空比变化范围小，含有变压器的变换器设计过于复杂导致开关频率变化范围有限，传统控制方法在占空比大范围改变和变换器磁性元件较多时显得不够有效和简单，存在响应速度慢且控制设计复杂的问题。
发明内容
本申请提供了一种DC-DC变换器的动态调节方法和装置，用于解决现有技术通过调节开关器件的占空比和开关频率来调节变换器的阻抗，存在响应速度慢且控制设计复杂的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种DC-DC变换器的动态调节方法，包括：
S1、采集DC-DC变换器的电气参数；
S2、判断所述电气参数与参考值是否相同，若是，则返回步骤S1，若否，则根据所述电气参数和所述参考值获取控制信号；
S3、将所述控制信号输入到受控源，使得所述受控源产生对应的控制电流；
S4、通通过所述控制电流增加受控源输出端的控制绕组中磁芯的磁感应强度，进而增加该磁芯的饱和程度，影响该磁芯的有效磁导率，使得绕在该磁芯上的电感的电感值发生变化，进而改变所述DC-DC变换器的阻抗，以通过调节后的阻抗调节所述电气参数，并返回步骤S1。
可选的，根据所述电气参数和所述参考值获取控制信号，包括：
通过计算误差电路根据所述电气参数和所述参考值获取控制信号，其中，所述计算误差电路由运算放大器、电阻和电容构成。
可选的，所述受控源由运算放大器、电阻和晶体管构成。
可选的，所述电气参数为电压、电流或功率。
本申请第二方面提供了一种DC-DC变换器的动态调节装置，包括：
采集单元，用于采集DC-DC变换器的电气参数；
判断单元，用于判断所述电气参数与参考值是否相同，若是，则触发所述采集单元，若否，则根据所述电气参数和所述参考值获取控制信号；
输入单元，用于将所述控制信号输入到受控源，使得所述受控源产生对应的控制电流；
调节单元，用于通通过所述控制电流增加受控源输出端的控制绕组中磁芯的磁感应强度，进而增加该磁芯的饱和程度，影响该磁芯的有效磁导率，使得绕在该磁芯上的电感的电感值发生变化，进而改变所述DC-DC变换器的阻抗，以通过调节后的阻抗调节所述电气参数，并触发所述采集单元。
可选的，所述判断单元具体用于：
判断所述电气参数与参考值是否相同，若是，则触发所述采集单元，若否，则通过计算误差电路根据所述电气参数和所述参考值获取控制信号，其中，所述计算误差电路由运算放大器、电阻和电容构成。
可选的，所述受控源由运算放大器、电阻和晶体管构成。
可选的，所述电气参数为电压、电流或功率。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请提供了一种DC-DC变换器的动态调节方法，包括：S1、采集DC-DC变换器的电气参数；S2、判断电气参数与参考值是否相同，若是，则返回步骤S1，若否，则根据电气参数和参考值获取控制信号；S3、将控制信号输入到受控源，使得受控源产生对应的控制电流；S4、通过控制电流增加受控源输出端的控制绕组中磁芯的磁感应强度，进而增加该磁芯的饱和程度，影响该磁芯的有效磁导率，使得绕在该磁芯上的电感的电感值发生变化，进而改变DC-DC变换器的阻抗，以通过调节后的阻抗调节电气参数，并返回步骤S1。
本申请中，当采集到的电气参数与参考值不相同时，通过电气参数和参考值来获取控制信号来改变受控源的控制电流，进而通过改变磁芯中的磁感应强度来改变DC-DC变换器中电感的电感值，达到改变DC-DC变换器中的阻抗最终调节电气参数的目的，在调节DC-DC变换器中的阻抗后，重新采集DC-DC变换器中的电气参数与参考值再进行判断，若调节后的电气参数仍不是期望的输出值，则继续进行调节，该调节方式可以在不改变开关器件的占空比和开关频率的情况下通过改变电感值调节变换器，还可以替代一些阻抗匹配网络中改变电容值的控制方式，响应速度快且可以减少成本和控制的复杂性，解决了现有技术通过调节开关器件的占空比和开关频率来调节变换器的阻抗，存在响应速度慢且控制设计复杂的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例提供的一种DC-DC变换器的动态调节方法的一个流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种DC-DC变换器的拓扑结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种DC-DC变换器的动态调节电路的拓扑结构；
图4为本申请实施例提供的一种通过增加控制电流改变磁芯饱和度进而改变电感值的示意图；
图5为本申请实施例提供的一种磁化曲线的示意图；
图6为本申请实施例提供的一种DC-DC变换器的动态调节方法装置的一个结构示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种DC-DC变换器的动态调节方法和装置，用于解决现有技术通过调节开关器件的占空比和开关频率来调节变换器的阻抗，存在响应速度慢且控制设计复杂的技术问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种DC-DC变换器的动态调节方法的一个实施例，包括：
步骤101、采集DC-DC变换器的电气参数。
在采集DC-DC变换器的电气参数之前，本申请实施例对DC-DC变换器进行阻抗建模，DC-DC变换器的拓扑结构可以参考图2。以图3中的Boost变换器为例，将Boost变换器在开关开通和关断的状态下分别进行近似线性化，用二端口网络分别计算出输入阻抗Zin1和Zin2，输出阻抗Zo1和Zo2，如公
式1所示：
然后通过状态空间平均法计算得到输入阻抗Zin和输出阻抗Zo，如公式2所示：
其中，L为电感值，C为输出电容，D为开关器件的占空比，R为负载电阻，s为复频率，由于电容、电感器件的阻抗随频率的变化而变化，因此将时域转换到复频域进行阻抗分析。
本申请实施例考虑到在一些阻抗匹配网络里常用的匹配方法是通过多并联电容或者调整电容的极板的位置来调整电容值和/或电感值(匹配网络中包括由电容和电感串联构成的串联支路，调节电容时等效为调整串联支路的电感)，进而调整匹配网络的阻抗；随着并联的电容数量增多，变换器的体积随之增大，不利于提高功率密度，而改变电容极板距离需使用伺服步进电机，响应速度慢且控制设计复杂，成本较高。而根据上述公式(2)可知，变换器的阻抗表达式中包含了电容值和电感值占空比等参数，即阻抗与电感值存在函数关系，可以表示为Z＝f(L)。基于此，为了提高响应速度以及减少控制复杂性，本申请实施例提出对DC-DC变换器中的电感值进行调节，以改变DC-DC变换器的阻抗，进而调节所需的被控量，即电气参数。
在本申请实施例中可以通过传感器或采样电路采集DC-DC变换器的电气参数。电气参数可以为电压、电流或功率，当电气参数为电压时，可以直接采用电阻分压原理构建的采样电路或电压传感器采集DC-DC变换器的输出电压。
步骤102、判断电气参数与参考值是否相同，若是，则返回步骤101，若否，则根据电气参数和参考值获取控制信号。
在采集到电气参数后，将其与预设的参考值进行比较，判断电气参数与参考值是否相同，若是，则返回步骤101，若否，则根据电气参数和参考值获取控制信号，通过计算电气参数与参考值的误差值来获取对应的控制信号。
具体的，通过计算误差电路根据电气参数和参考值获取控制信号，其中，计算误差电路由运算放大器、电阻和电容构成。可以参考图3，以Boost变换器为例，假设采集的电气参数为输出电压Vo，判断输出电压Vo与参考值Vref是否相同，若是，则返回步骤101继续采集输出电压Vo，在判断到输出电压Vo与参考值Vref不相同时，通过图3中的计算误差电路计算输出电压Vo和参考值Vref的误差值，进而得到控制电压Vctr1(即控制信号)，具体计算公式为：
步骤103、将控制信号输入到受控源，使得受控源产生对应的控制电流。
在获取到控制信号后，将控制信号作为受控源的输入，使得受控源根据根据该控制信号产生对应的控制电流Ictr1。沿用上述例子，请参考图3，将计算误差电压输出的控制电压Vctr1作为图3中受控源的控制电压，使得该受控源输出一个控制电流Ictr1，计算公式为：
Ictr1＝Vctr1/R7 (4)
本申请实施例中的受控源由运算放大器、电阻和晶体管构成。
步骤104、通过控制电流增加受控源输出端的控制绕组中磁芯的磁感应强度，进而增加该磁芯的饱和程度，影响该磁芯的有效磁导率，使得绕在该磁芯上的电感的电感值发生变化，进而改变DC-DC变换器的阻抗，以通过调节后的阻抗调节电气参数，并返回步骤101。
在本申请实施例中，DC-DC变换器中的电感和受控源输出端的控制绕组绕在同一个磁芯上，控制电流Ictr1进入控制绕组增加磁芯中的磁感应强度，由于磁芯的磁感应强度改变，磁芯从临界饱和状态进入饱和状态，可以参考图4，磁芯在磁化曲线上的运行区间发生改变，磁芯的磁导率变小。可以参考图5，磁导率是磁化曲线的斜率，当正常运行在区间[a,b]时，磁导率u1较大，当加入控制电流后，控制电流产生的磁通使运行到区间[c,d]，这时的磁导率u2减小，而由于主电路中电感也是绕在同一个磁芯上，故电感值也发生改变。根据公式(2)可知，当DC-DC变换器中的电感值L发生改变时，DC-DC变换器中的阻抗Z也会相应的发生改变，变换器阻抗变化，则电气参数也会发生相应的变化，从而达到调节电气参数的目的。其中，电感值L随控制电流Ictr1的变化过程可以参考公式(5)，即
式中，u是磁芯磁导率，Nctrl和NL分别为控制绕组和电感绕组的匝数，S和l分别为磁芯的截面积和除电感绕组以外的磁路长度，Rm为磁阻。
通过改变DC-DC变换器的阻抗调节电气参数后，返回步骤101采集调节后的电气参数，再判断调节后的电气参数是否符合预期输出，若不符合继续调节，形成闭环反馈控制。本申请实施例在对DC-DC变换器的阻抗进行调节时，与现有技术中对开关器件的占空比和开关频率进行调节不同的是，本申请实施例不采用常见的脉冲宽度调制和脉冲频率调制的调节方式，而是采用对电感值进行调节的方式。具体地，本申请实施例考虑到DC-DC变换器的阻抗表达式中包含了电容值电感值占空比等参数，即阻抗为关于电感值的一个函数，基于此，本申请实施例通过对DC-DC变换器中的电感值进行调节从而改变DC-DC变换器的阻抗，进而调节所需的被控量，如输出电压等电气参数。而调节被控量是否完成，通过闭环反馈控制不断采集被控量的状态并与参考值比较，如果被控量和参考值相等，即满足预设期望值，则说明此时的调节结束。
本申请实施例中，当采集到的电气参数与参考值不相同时，通过电气参数和参考值来获取控制信号来改变受控源的控制电流，进而通过改变磁芯中的磁感应强度来改变DC-DC变换器中电感的电感值，达到改变DC-DC变换器中的阻抗最终调节电气参数的目的，在调节DC-DC变换器中的阻抗后，重新采集DC-DC变换器中的电气参数与参考值再进行判断，若调节后的电气参数仍不是期望的输出值，则继续进行调节，该调节方式可以在不改变开关器件的占空比和开关频率的情况下通过改变电感值调节变换器，还可以替代一些阻抗匹配网络中改变电容值的控制方式，响应速度快且可以减少成本和控制的复杂性，解决了现有技术通过调节开关器件的占空比和开关频率来调节变换器的阻抗，存在响应速度慢且控制设计复杂的技术问题。
以上为本申请提供的一种DC-DC变换器的动态调节方法的一个实施例，以下为本申请提供的一种DC-DC变换器的动态调节装置的一个实施例。
请参考图6，本申请实施例提供的一种DC-DC变换器的动态调节装置，包括：
采集单元，用于采集DC-DC变换器的电气参数；
判断单元，用于判断电气参数与参考值是否相同，若是，则触发采集单元，若否，则根据电气参数和参考值获取控制信号；
输入单元，用于将控制信号输入到受控源，使得受控源产生对应的控制电流；
调节单元，用于通过控制电流增加受控源输出端的控制绕组中磁芯的磁感应强度，进而增加该磁芯的饱和程度，影响该磁芯的有效磁导率，使得绕在该磁芯上的电感的电感值发生变化，进而改变DC-DC变换器的阻抗，以通过调节后的阻抗调节电气参数，并触发采集单元。
作为进一步地改进，判断单元具体用于：
判断电气参数与参考值是否相同，若是，则触发采集单元，若否，则通过计算误差电路根据电气参数和参考值获取控制信号，其中，计算误差电路由运算放大器、电阻和电容构成。
作为进一步地改进，受控源由运算放大器、电阻和晶体管构成。
本申请实施例中，当采集到的电气参数与参考值不相同时，通过电气参数和参考值来获取控制信号来改变受控源的控制电流，进而通过改变磁芯中的磁感应强度来改变DC-DC变换器中电感的电感值，达到改变DC-DC变换器中的阻抗最终调节电气参数的目的，在调节DC-DC变换器中的阻抗后，重新采集DC-DC变换器中的电气参数与参考值再进行判断，若调节后的电气参数仍不是期望的输出值，则继续进行调节，该调节方式可以在不改变开关器件的占空比和开关频率的情况下通过改变电感值调节变换器，还可以替代一些阻抗匹配网络中改变电容值的控制方式，响应速度快且可以减少成本和控制的复杂性，解决了现有技术通过调节开关器件的占空比和开关频率来调节变换器的阻抗，存在响应速度慢且控制设计复杂的技术问题。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种DC-DC变换器的动态调节方法，其特征在于，包括：
S1、采集DC-DC变换器的电气参数；
S2、判断所述电气参数与参考值是否相同，若是，则返回步骤S1，若否，则根据所述电气参数和所述参考值获取控制信号；
S3、将所述控制信号输入到受控源，使得所述受控源产生对应的控制电流；
S4、通过所述控制电流增加受控源输出端的控制绕组中磁芯的磁感应强度，进而增加该磁芯的饱和程度，影响该磁芯的有效磁导率，使得绕在该磁芯上的电感的电感值发生变化，进而改变所述DC-DC变换器的阻抗，以通过调节后的阻抗调节所述电气参数，并返回步骤S1。
2.根据权利要求1所述的DC-DC变换器的动态调节方法，其特征在于，根据所述电气参数和所述参考值获取控制信号，包括：
通过计算误差电路根据所述电气参数和所述参考值获取控制信号，其中，所述计算误差电路由运算放大器、电阻和电容构成。
3.根据权利要求1所述的DC-DC变换器的动态调节方法，其特征在于，所述受控源由运算放大器、电阻和晶体管构成。
4.根据权利要求1所述的DC-DC变换器的动态调节方法，其特征在于，所述电气参数为电压、电流或功率。
5.一种DC-DC变换器的动态调节装置，其特征在于，包括：
采集单元，用于采集DC-DC变换器的电气参数；
判断单元，用于判断所述电气参数与参考值是否相同，若是，则触发所述采集单元，若否，则根据所述电气参数和所述参考值获取控制信号；
输入单元，用于将所述控制信号输入到受控源，使得所述受控源产生对应的控制电流；
调节单元，用于通过所述控制电流增加受控源输出端的控制绕组中磁芯的磁感应强度，进而增加该磁芯的饱和程度，影响该磁芯的有效磁导率，使得绕在该磁芯上的电感的电感值发生变化，进而改变所述DC-DC变换器的阻抗，以通过调节后的阻抗调节所述电气参数，并触发所述采集单元。
6.根据权利要求5所述的DC-DC变换器的动态调节装置，其特征在于，所述判断单元具体用于：
判断所述电气参数与参考值是否相同，若是，则触发所述采集单元，若否，则通过计算误差电路根据所述电气参数和所述参考值获取控制信号，其中，所述计算误差电路由运算放大器、电阻和电容构成。
7.根据权利要求5所述的DC-DC变换器的动态调节装置，其特征在于，所述受控源由运算放大器、电阻和晶体管构成。
8.根据权利要求5所述的DC-DC变换器的动态调节装置，其特征在于，所述电气参数为电压、电流或功率。
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- 2021-02-05 CN CN202110161007.1A patent/CN112886812B/zh active Active
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