CN113783409B - 一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法 - Google Patents
一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及双向Buck/Boost变换器宽输入宽输出的技术领域，尤其涉及一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法，在开机时MOSFET主控管占空比从零并逐渐增大过程中，封锁MOSFET被控管驱动信号，利用MOSFET被控管的体二极管续流；待MOSFET主控管软启动结束，双向Buck/Boost变换器正常工作，再给MOSFET被控管施加与MOSFET主控管互补的驱动信号，实现同步整流。
Description
技术领域
本发明涉及双向Buck/Boost变换器宽输入宽输出的技术领域，尤其涉及一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法。
背景技术
随着能源、环保等问题日益受到关注，电动汽车得到迅速发展，然而在现有的技术条件下，动力电池的性能成了制约电动汽车发展的主要瓶颈。双向DC/DC变换技术可以优化电动机控制、提高电动汽车整体的效率性能。电动车电源需要实现输入、输出电流可双向流动，可通过双向DC/DC变换器实现能量双向传输，双向Buck/Boost变换器是双向DC/DC变换器其中一种拓扑。
双向Buck/Boost变换器具有控制简单、拓扑可靠、能够达到较高功率等级等优点，适合应用在车载能量管理系统中。变换器的两端分别连接直流母线和蓄电池，承担系统双向能量变换的任务，因此双向变换器在系统的能量管理中具有非常重要的作用。它不同于传统的单端“源”单端“负载”的应用场合，而是工作在两端均为电压源的场合。
对于Buck/Boost双向同步整流变换器，为了减小变换器开机时的浪涌电流，一般需要采用软启动方法。传统软启动是将变换器主控管的占空比由零逐渐增大至稳定值，这对于单端“源”、单端“耗散性负载”的运用场合是可行的。对于双向变换器，如果将其看作分别是不同时间两个方向的单向DC/DC变换器，可以采用传统软启动。但由于本系统中，双向DC/DC变换器相当于两端都接电源。如果系统在开机软启动过程中被控管与主控管互补工作，则被控管的占空比将从满占空比开始逐渐减小，电路会存在问题。
两端“源”类型的双向变换器如果采用传统软启动方法，将存在很大的反向电流，其原因是被控管与主控管互补导通。为了防止反向电流出现，系统在开机软启动时，被控管不能工作在同步整流状态，即被控管不开通以防止给输出端“源”提供反向电流的通路，这个过程中只是通过被控管的体二极管给电感电流续流；待主控管软启动完成后，双向变换器正常工作，再给被控管施加驱动信号，实现同步整流。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法，削弱了传统双向Buck/Boost变换器软启动时的震荡问题，电流应力小，使电路启动时更加稳定可靠，具有较高的工程使用价值，此控制方法可靠、电路简单、易于实现。
本发明的技术解决方案是：一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制电路，包括双向Buck/Boost变换器、采样电路、控制电路、驱动电路；
所述双向Buck/Boost变换器包括电源、电容、电感、第一MOSFET和第二MOSFET；第一电容和第二电容分别并联在输入电源和输出电源的两端，输入电源的正极连接第一MOSFET的漏极，第一MOSFET的源极连接第二MOSFET的漏极以及电感一端，电感另一端连接输出电源正极；输入电源和输出电源的负极均连接第二MOSFET的源极；
所述采样电路用于采样输入电压、输出电压，并将输入电压和输出电压的幅值、以及输出电压的上升时间，发送至控制电路；
所述控制电路用于接收输入电压和输出电压，以确定电路工作在Buck模式还是Boost模式，并且通过PI控制后，生成调制信号，发送至驱动电路；
所述驱动电路用于接收调制信号，经过隔离及功率放大后，生成驱动信号，驱动主电路中的MOSFET。
根据所述的一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制电路实现的应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法，包括如下步骤：
确定双向Buck/Boost变换器的工作模式，以及第一MOSFET和第二MOSFET中哪个为MOSFET主控管，哪个为MOSFET被控管；
在开机时MOSFET主控管占空比从零并逐渐增大过程中，封锁MOSFET被控管驱动信号，利用MOSFET被控管的体二极管续流；待MOSFET主控管软启动结束，双向Buck/Boost变换器正常工作，再给MOSFET被控管施加与MOSFET主控管互补的驱动信号，实现同步整流。
进一步地，所述确定双向Buck/Boost变换器的工作模式，以及第一MOSFET和第二MOSFET中哪个为MOSFET主控管，哪个为MOSFET被控管的方法为：
检测双向Buck/Boost变换器的输入电源和输出电源的输入电压Vin与输出电压Vo；当输入电压Vin大于输出电压Vo时，双向Buck/Boost变换器工作在Buck模式，此时第一MOSFET为MOSFET主控管，第二MOSFET为MOSFET被控管；当输出电压Vo大于输入电压Vin时，双向Buck/Boost变换器工作在Boost模式，此时第二MOSFET为MOSFET主控管，第一MOSFET为MOSFET被控管。
进一步地，当双向Buck/Boost变换器工作在Buck模式时，关断第二MOSFET，调节第一MOSFET驱动信号的展开速度，使占空比由0逐渐增大到D1，从而使输出电压由0缓慢上升至给定电压，实现软启动。
进一步地，当双向Buck/Boost变换器工作在Boost模式时，关断第一MOSFET，调节第二MOSFET驱动信号的展开速度，使占空比由0逐渐增大到d2，从而使输出电压由0缓慢上升至给定电压，实现软启动。
进一步地，根据输出电压上升至给定值的时间tr来调节主控管驱动信号的展开速度。
进一步地，当K≤N时，在(K-1)T～KT时，双向Buck/Boost变换器的主控管驱动信号的占空比设置成KU，被控管驱动为0，变换器正常工作。其中，T为双向Buck/Boost变换器主控管驱动信号的时间周期，N＝tr/T，K为正整数，依次取1、2、3、…、N-1、N。当K＝N时，输出电压上升至给定电压，软启动过程结束。
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法的步骤。
一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明通过采用延时同步整流控制策略，解决了传统软启动方法开机时变换器电感电流反向增大的问题。在双向Buck/Boost变换器的两端均为源的情况下，能够正常启动，实现了系统的安全可靠运行。
附图说明
图1为双向Buck/Boost变换器电路图
图2为Buck模式下软启动过程Q1和Q2的驱动信号示意图
图3为Boost模式下软启动过程Q1和Q2的驱动信号示意图
图4为延时同步整流控制方法的控制流程图
图5、6为采用传统软启动方法与本发明延时同步整流控制方法的电感电流波形对比图
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～6所示)：所述双向Buck/Boost变换器为主功率电路，并配套有采样电路、控制电路、驱动电路等。其中，所述方法是通过控制双向Buck/Boost变换器的2个MOSFET，采用延时同步整流控制策略，在开机时主控管占空比从零并逐渐增大过程中，封锁被控管驱动信号，利用被控管的体二极管续流，这样，电感电流便不会反向流通。待主控管软启动结束，双向变换器正常工作，再给被控管施加与主控管互补的驱动信号，实现同步整流。
所述双向Buck/Boost变换器为主功率电路，包括2个开关管Q1和Q2以及2个开关管的反并联二极管D1和D2，滤波电感L1，滤波电容CH和CL。
具体的，一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制电路，包括双向Buck/Boost变换器、采样电路、控制电路、驱动电路；
所述双向Buck/Boost变换器包括电源、电容、电感、第一MOSFET和第二MOSFET；第一电容和第二电容分别并联在输入电源和输出电源的两端，输入电源的正极连接第一MOSFET的漏极，第一MOSFET的源极连接第二MOSFET的漏极以及电感一端，电感另一端连接输出电源正极；输入电源和输出电源的负极均连接第二MOSFET的源极；
所述采样电路用于采样输入电压、输出电压，并将输入电压和输出电压的幅值、以及输出电压的上升时间，发送至控制电路；
所述控制电路用于接收输入电压和输出电压，以确定电路工作在Buck模式还是Boost模式，并且通过PI控制后，生成调制信号，发送至驱动电路；
所述驱动电路用于接收调制信号，经过隔离及功率放大后，生成驱动信号，驱动主电路中的MOSFET。
本发明提出的一种双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法，检测变换器的输入电压Vin与输出电压Vo，当输入电压Vin大于输出电压Vo时，变换器工作在Buck模式，此时Q1为主控管，Q2为被控管，占空比d1＝Vo/Vin。当输出电压Vo大于输入电压Vin时，变换器工作在Boost模式，此时Q2为主控管，Q1为被控管，占空比d2＝1一Vin/Vo。
本发明提出的一种双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法，当变换器工作在Buck模式时，调节主控管Q1驱动信号的展开速度，使占空比由0逐渐增大到D1，期间被控管Q2关断，从而使输出电压由0缓慢上升至给定电压，实现软启动。软启动完成后，主控管Q1驱动信号占空比为d1，被控管Q2驱动信号占空比为1一d1。
本发明提出的一种双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法，当变换器工作在Boost模式时，调节主控管Q2驱动信号的展开速度，使占空比由0逐渐增大到d2，期间被控管Q1关断，从而使输出电压由0缓慢上升至给定电压，实现软启动。软启动完成后，主控管Q2驱动信号占空比为d2，被控管Q1驱动信号占空比为1一d2。
根据输出电压上升至给定值的时间tr来调节主控管驱动信号的展开速度，具体过程是：当K≤N时(N＝tr/T)，在(K-1)T一KT时，双向Buck/Boost变换器的主控管驱动信号的占空比设置成KU，被控管驱动为0，变换器正常工作。其中，T为双向Buck/Boost变换器主控管驱动信号的时间周期，K为正整数，依次取1、2、3、…、N-1、N。当K＝N时，输出电压上升至给定电压，软启动过程结束。
软启动完成后，Buck模式下，主控管Q1驱动信号占空比为d1，被控管Q2驱动信号的占空比与主控管互补，为1一d1。Boost模式下，主控管Q2驱动信号占空比为d2，被控管Q1驱动信号占空比为1一d2。
在本申请实施例所提供的方案中，如图1所示，为双向Buck/Boost变换器电路图。双向Buck/Boost变换器为主功率电路，并配套有采样电路、控制电路、驱动电路等。采样电路采样输出电压上升至给定值的时间tr，根据输出电压上升至给定值的时间tr来调节主控管驱动信号的展开速度。在开机时主控管占空比从零并逐渐增大过程中，封锁被控管驱动信号，利用被控管的体二极管续流，这样，电感电流便不会反向流通。待主控管软启动结束，双向变换器正常工作，再给被控管施加与主控管互补的驱动信号，实现同步整流。
当变换器工作在Buck模式时，调节主控管Q1驱动信号的展开速度，使占空比由0逐渐增大到D1，期间被控管Q2关断，从而使输出电压由0缓慢上升至给定电压，实现软启动。软启动完成后，主控管Q1驱动信号占空比为d1，被控管Q2驱动信号占空比为1一d1。图2为Buck模式下软启动过程Q1和Q2的驱动信号示意图。
当变换器工作在Boost模式时，调节主控管Q2驱动信号的展开速度，使占空比由0逐渐增大到d2，期间被控管Q1关断，从而使输出电压由0缓慢上升至给定电压，实现软启动。软启动完成后，主控管Q2驱动信号占空比为d2，被控管Q1驱动信号占空比为1一d2。图3为Boost模式下软启动过程Q1和Q2的驱动信号示意图。
本发明提出的一种双向Buck/Boost变换器软启动延时同步整流控制方法，图4为其控制流程图，具体工作如下：
在0-T时，双向Buck/Boost变换器的主控管驱动信号的占空比设置成U，被控管驱动为U，变换器正常工作；
在T-2T时，双向Buck/Boost变换器的主控管驱动信号的占空比设置成2U，被控管驱动为0，变换器正常工作；
在2T-3T时，双向Buck/Boost变换器的主控管驱动信号的占空比设置成3U，被控管驱动为0，变换器正常工作；
以此类推，当K＜N时(N＝tr/T)，在(K-1)T-KT时，双向Buck/Boost变换器的主控管驱动信号的占空比设置成KU，被控管驱动为0，变换器正常工作。T为双向Buck/Boost变换器主控管驱动信号的时间周期。
图5、6为采用传统软启动方法与本发明延时同步整流控制方法的电感电流波形对比图，从图中可以看出，由于电路两端均可看作电压源，若采用传统软启动技术，在同步管从满占空比逐渐减小的过程中，会造成电感电流迅速反向增加，电感饱和，最终导致开关管过流损坏。如果采用延时同步整流控制策略，在开机时主控管占空比从零并逐渐增大过程中，封锁被控管驱动信号，利用被控管的体二极管续流，这样，电感电流便不会反向流通。待主控管软起动结束，双向变换器正常工作，再给被控管施加与主控管互补的驱动信号，实现同步整流。相比传统软启动方法，本发明延时同步整流控制策略，解决了传统软启动方法开机时变换器电感电流反向增大的问题。在双向Buck/Boost变换器的两端均为源的情况下，能够正常启动，实现了系统的安全可靠运行。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法，所述控制方法通过应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制电路实现，其特征在于，所述控制电路包括双向Buck/Boost变换器、采样电路、控制电路、驱动电路；
所述双向Buck/Boost变换器包括电源、电容、电感、第一MOSFET和第二MOSFET；第一电容和第二电容分别并联在输入电源和输出电源的两端，输入电源的正极连接第一MOSFET的漏极，第一MOSFET的源极连接第二MOSFET的漏极以及电感一端，电感另一端连接输出电源正极；输入电源和输出电源的负极均连接第二MOSFET的源极；
所述采样电路用于采样输入电压、输出电压，并将输入电压和输出电压的幅值、以及输出电压的上升时间，发送至控制电路；
所述控制电路用于接收输入电压和输出电压，以确定电路工作在Buck模式还是Boost模式，并且通过PI控制后，生成调制信号，发送至驱动电路；
所述驱动电路用于接收调制信号，经过隔离及功率放大后，生成驱动信号，驱动主电路中的MOSFET；
所述控制方法包括如下步骤：
确定双向Buck/Boost变换器的工作模式，以及第一MOSFET和第二MOSFET中哪个为MOSFET主控管，哪个为MOSFET被控管；
在开机时MOSFET主控管占空比从零并逐渐增大过程中，封锁MOSFET被控管驱动信号，利用MOSFET被控管的体二极管续流；待MOSFET主控管软启动结束，双向Buck/Boost变换器正常工作，再给MOSFET被控管施加与MOSFET主控管互补的驱动信号，实现同步整流；
当双向Buck/Boost变换器工作在Buck模式时，关断第二MOSFET，调节第一MOSFET驱动信号的展开速度，使占空比由0逐渐增大到D1，从而使输出电压由0缓慢上升至给定电压，实现软启动；
当双向Buck/Boost变换器工作在Boost模式时，关断第一MOSFET，调节第二MOSFET驱动信号的展开速度，使占空比由0逐渐增大到d2，从而使输出电压由0缓慢上升至给定电压，实现软启动；
根据输出电压上升至给定值的时间tr来调节主控管驱动信号的展开速度；
当K≤N时，在(K-1)T~KT时，双向Buck/Boost变换器的主控管驱动信号的占空比设置成KU，被控管驱动为0，变换器正常工作；其中，T为双向Buck/Boost变换器主控管驱动信号的时间周期，N=tr/T，K为正整数，依次取1、2、3、…、N-1、N；当K=N时，输出电压上升至给定电压，软启动过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制方法，其特征在于，所述确定双向Buck/Boost变换器的工作模式，以及第一MOSFET和第二MOSFET中哪个为MOSFET主控管，哪个为MOSFET被控管的方法为：
检测双向Buck/Boost变换器的输入电源和输出电源的输入电压Vin与输出电压Vo；当输入电压Vin大于输出电压Vo时，双向Buck/Boost变换器工作在Buck模式，此时第一MOSFET为MOSFET主控管，第二MOSFET为MOSFET被控管；当输出电压Vo大于输入电压Vin时，双向Buck/Boost变换器工作在Boost模式，此时第二MOSFET为MOSFET主控管，第一MOSFET为MOSFET被控管。
3.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1或2所述方法的步骤。
4.一种应用于双向Buck/Boost变换器软启动的延时同步整流控制设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1或2所述方法的步骤。
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