CN114244115A - 环路控制装置和电压变换装置 - Google Patents

环路控制装置和电压变换装置 Download PDF

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CN114244115A CN202111567470.2A CN202111567470A CN114244115A CN 114244115 A CN114244115 A CN 114244115A CN 202111567470 A CN202111567470 A CN 202111567470A CN 114244115 A CN114244115 A CN 114244115A
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Abstract

本申请实施例提供一种环路控制装置和电压变换装置，该环路控制装置包括输出电压环、N个电流环、N个飞跨电容电压环和N个发波控制器，环路控制装置用于控制电压变换器中的开关管的控制信号的占空比；电压变换器包括并联的N路电压变换电路、直流电源和输出负载；第一电压变换电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电感和第一飞跨电容，第一发波控制器用于根据输出电压环输出的输出电压控制结果、第一电流环输出的第一电流控制结果和第一飞跨电压环输出的第一飞跨电容电压控制结果控制第一电压变换电路中的开关管的控制信号的占空比器。可以保证开关管的电压应力的平衡，提高电压变换器的工作可靠性。

Description

环路控制装置和电压变换装置
技术领域
本申请涉及电源技术领域，具体涉及一种环路控制装置和电压变换装置。
背景技术
随着数字电源的全面普及、电源技术日益成熟，电源产品设计以高效率、高功率密度、高可靠性作为最重要的指标。特别是在电动汽车充电领域中，核心的充电模块发展趋于输出功率越来越大、功率密度越来越高。在大功率输出、高功率密度的电源模块设计中，交错并联技术得到了广泛的应用。
交错并联技术主要是通过多路电压变换器并联得到的。其主要特点是所用变换器共用一个输出滤波器，与一般的单相电压变换器相比，其具有电流纹波小、纹波频率高、负载变化时的动态响应好等优点。交错并联的电压变换器能大幅降低输出电流纹波，减小输入和输出的滤波器件，提高数字电源的功率密度。
交错并联的电压变换器的每一路电压变换器可以包括多个开关管和一个飞跨电容，飞跨电容跨接到对应的至少两个开关管之间，飞跨电容与对应的至少两个开关管并联，当飞跨电容上电压的波动较大时，会直接导致对应的至少两个开关管的电压应力出现不平衡，严重影响电压变换器的工作可靠性和稳定性。
发明内容
本申请实施例提供一种环路控制装置和电压变换装置，可以保证开关管的电压应力的平衡，提高电压变换器的工作可靠性。
本申请实施例的第一方面提供了一种环路控制装置，包括输出电压环、N个电流环、N个飞跨电容电压环和N个发波控制器，所述环路控制装置用于控制电压变换器中的开关管的控制信号的占空比；
所述电压变换器包括并联的N路电压变换电路、直流电源和输出负载；第一电压变换电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电感和第一飞跨电容，所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的正极，所述直流电源的负极接地，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端，所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端，所述第四开关管的第二端接地，所述第一飞跨电容跨接在所述第二开关管的第一端和所述第四开关管的第一端之间，所述第三开关管的第一端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述输出负载的第一端，所述输出负载的第二端接地；所述第一电压变换电路为所述N路电压变换电路中的任一路，N为大于或等于2的整数；
所述输出电压环对输入的所述输出负载的第一端的采样电压和设定的参考输出电压进行处理，得到输出电压控制结果；
第一电流环用于对输入的所述第一电感的采样电流和设定的参考电感电流进行处理，得到第一电流控制结果；所述第一电流环为所述N个电流环中与所述第一电压变换电路对应的电流环；
第一飞跨电压环用于对输入的所述第一飞跨电容的采样电压和设定的参考电容电压进行处理，得到第一飞跨电容电压控制结果；所述第一飞跨电压环为所述N个飞跨电压环中与所述第一电压变换电路对应的飞跨电压环；
第一发波控制器用于根据所述输出电压控制结果、所述第一电流控制结果和所述第一飞跨电容电压控制结果控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的所述第四开关管的控制信号的占空比，所述第一发波控制器为所述N个发波控制器中与所述第一电压变换电路对应的发波控制器。
可选的，所述第一开关管与所述第四开关管的控制信号为互补发波模式，在所述互补发波模式下，所述第一开关管和所述第四开关管不能同时开通；
所述第二开关管与所述第三开关管的控制信号为互补发波模式，在所述互补发波模式下，所述第二开关管和所述第三开关管不能同时开通。
可选的，第一发波控制器包括第一取小电路、第一加法电路和第一减法电路和第一发波控制电路；
所述第一取小电路用于对所述输出电压控制结果和所述第一电流控制结果进行取小操作，输出第一取小结果；
所述第一加法电路用于将所述第一取小结果与所述第一飞跨电容电压控制结果相加，得到第一加法结果，所述第一发波控制电路用于根据所述第一加法结果控制所述第一开关管或所述第四开关管的控制信号的占空比；
所述第一减法电路用于将所述第一取小结果减去所述第一飞跨电容电压控制结果，得到第一减法结果，所述第一发波控制电路用于根据所述第一减法结果控制所述第二开关管或所述第三开关管的控制信号的占空比。
可选的，所述输出电压环、所述第一电流环和所述第一取小电路组成双环竞争电路。
可选的，所述第一开关管的相位与所述第二开关管的相位相差180°。
可选的，所述N路电压变换电路中任意相邻的两路电压变换电路对应位置的开关管的相位相差180°/N。
可选的，所述输出电压环包括：输出电压减法电路、输出电压环路补偿器和输出电压限幅电路；所述输出电压减法电路用于将所述参考输出电压减去所述输出负载的第一端的采样电压的减法结果输出至所述输出电压环路补偿器，所述输出电压环路补偿器用于对所述参考输出电压减去所述输出负载的第一端的采样电压的减法结果进行补偿后输出至所述输出电压限幅电路，所述输出电压限幅电路输出所述输出电压控制结果。
可选的，，所述第一电流环包括：第一电流减法电路、第一电流环路补偿器和第一电流限幅电路；所述第一电流减法电路用于将所述参考电感电流减去所述第一电感的采样电流的减法结果输出至所述第一电流环路补偿器，所述第一电流环路补偿器用于对所述参考电感电流减去所述第一电感的采样电流的减法结果进行补偿后输出至所述第一电流限幅电路，所述第一电流限幅电路输出所述第一电流控制结果。
可选的，所述第一飞跨电压环包括：第一飞跨电压减法电路、第一飞跨电压环路补偿器和第一飞跨电压限幅电路；所述第一飞跨电压减法电路用于将所述参考电容电压减去所述第一飞跨电容的采样电压的减法结果输出至所述第一飞跨电压环路补偿器，所述第一飞跨电压环路补偿器用于对所述参考电容电压减去所述第一飞跨电容的采样电压的减法结果进行补偿后输出至所述第一飞跨电压限幅电路，所述第一飞跨电压限幅电路输出所述第一飞跨电容电压控制结果。
可选的，所述第一电感的采样电流的采样频率大于所述输出负载的第一端的采样电压的采样频率；所述第一飞跨电容的采样电压的采样频率大于所述输出负载的第一端的采样电压的采样频率，所述第一电感的采样电流的采样频率等于所述第一飞跨电容的采样电压的采样频率。
由于输出负载的第一端的电压受到多路电压变换电路的影响，其变化相对缓慢，第一电感的采样电流和第一飞跨电容的采样电压在每个控制信号的周期内变化相对较大，需要更加频繁的调节，以保持第一飞跨电压环的电压稳定性，从而保证第二开关管和第三开管的电压应力不会出现大的波动，保证第二开关管和第三开管的电压应力的平衡，进而提高电压变换器的工作可靠性。
本申请实施例的第二方面提供了一种电压变换装置，包括电压变换器和本申请实施例第一方面所述的环路控制装置，所述电压变换器包括并联的N路电压变换电路、直流电源和输出负载；第一电压变换电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电感和第一飞跨电容，所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的正极，所述直流电源的负极接地，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端，所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端，所述第四开关管的第二端接地，所述第一飞跨电容跨接在所述第二开关管的第一端和所述第四开关管的第一端之间，所述第三开关管的第一端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述输出负载的第一端，所述输出负载的第二端接地；所述第一电压变换电路为所述N路电压变换电路中的任一路，N为大于或等于2的整数。
本申请实施例中的环路控制装置，第一发波控制器可以根据输出电压环输出的输出电压控制结果、第一电流环输出的第一电流控制结果和第一飞跨电压环输出的第一飞跨电容电压控制结果控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的所述第四开关管的控制信号的占空比，由于输出电压环用于控制所述输出负载的第一端的电压稳定性，所述第一电流环用于控制所述第一电感的电流稳定性，所述第一飞跨电压环用于控制所述第一飞跨电压环的电压稳定性，环路控制装置可以在保持电压变换器的输出电压和输出电流的稳定的前提下保持第一飞跨电压环的电压稳定性，从而保证第二开关管和第三开管的电压应力不会出现大的波动，保证第二开关管和第三开管的电压应力的平衡，进而提高电压变换器的工作可靠性。
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，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种电压变换器的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种电压变换器的具体结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种环路控制装置的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的一种环路控制装置的具体结构示意图；
图5是本申请实施例提供的一种D1＝D2＝0.3的模态图；
图6是本申请实施例提供的一种D1＝D2＝0.8的模态图；
图7是本申请实施例提供的一种电压变换装置的结构示意图。
具体实施方式
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。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、产品或设备固有的其他步骤或单元。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种电压变换器的结构示意图。该电压变换器100可以包括并联的N路电压变换电路(如图1所示的11～1N)、直流电源30和输出负载40。N为大于或等于2的整数。N路电压变换电路交错并联。
下面以N＝2为例说明该电压变换器100的具体结构，请参阅图2，图2是本申请实施例提供的一种电压变换器的具体结构示意图。如图2所示，该电压变换器100包括第一电压变换电路11和第二电压变换电路12。
第一电压变换电路11包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一电感L1和第一飞跨电容C1，所述第一开关管Q1的第一端连接所述直流电源30的正极，所述直流电源30的负极接地，所述第一开关管Q1的第二端连接所述第二开关管Q2的第一端，所述第二开关管Q2的第二端连接所述第三开关管Q3的第一端，所述第三开关管Q3的第二端连接所述第四开关管Q4的第一端，所述第四开关管Q4的第二端接地，所述第一飞跨电容C1跨接在所述第二开关管Q2的第一端和所述第四开关管Q4的第一端之间，所述第三开关管Q3的第一端连接所述第一电感L1的第一端，所述第一电感L1的第二端连接所述输出负载40的第一端，所述输出负载40的第二端接地。
第二电压变换电路12包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第二电感L2和第二飞跨电容C2，所述第五开关管Q5的第一端连接所述直流电源30的正极，所述直流电源30的负极接地，所述第五开关管Q5的第二端连接所述第六开关管Q6的第一端，所述第六开关管Q6的第二端连接所述第七开关管Q7的第一端，所述第七开关管Q7的第二端连接所述第八开关管Q8的第一端，所述第八开关管Q8的第二端接地，所述第二飞跨电容C2跨接在所述第六开关管Q6的第一端和所述第八开关管Q8的第一端之间，所述第七开关管Q7的第一端连接所述第二电感L2的第一端，所述第二电感L2的第二端连接所述输出负载40的第一端，所述输出负载40的第二端接地。
其中，图2的电压变换器100还可以包括输入滤波电容Cm(输入滤波电容Cm也可以称为母线电容)和输出滤波电容Vf。
直流电源30的正极电压是Vin，输出负载40可以纯电阻负载，也可以是电阻和电容组成的负载，也可以是电感和电阻组成的负载，也可以是电感、电容和电阻组成的负载，本申请实施例不做限定。
该电压变换器100可以将直流电源30的正极电压Vin转换为输出负载40需要的电压Vout。
图2中的Sa1是第一开关管Q1的控制信号(控制信号也可以称为：发波信号)，Sa2是第二开关管Q2的控制信号，Sa3是第三开关管Q3的控制信号，Sa4是第四开关管Q4的控制信号，Sb1是第五开关管Q5的控制信号，Sb2是第六开关管Q6的控制信号，Sb3是第七开关管Q7的控制信号，Sb4是第八开关管Q8的控制信号。
图2中的CSA为第一电压变换电路11中的第一电感L1的电流采样信号，CSB为第二电压变换电路12中的第二电感L2的电流采样信号，CSC为输出总电流的采样信号。
请参阅图3，图3是本申请实施例提供的一种环路控制装置的结构示意图，如图3所示，该环路控制装置300可以包括输出电压环50、N个电流环(如图3所示的61～6N)、N个飞跨电容电压环(如图3所示的71～7N)和N个发波控制器(如图3所示的21～2N)，所述环路控制装置300用于控制电压变换器100中的开关管的控制信号的占空比。图1中的N路电压变换电路中的每一路电压变换电路都可以接受图3中对应的发波控制器控制，具体的，发波控制器21可以控制电压变换电路11中的开关管的控制信号(比如，PWM信号)的占空比，发波控制器22可以控制电压变换电路12中的开关管的控制信号的占空比，发波控制器2N可以控制电压变换电路1N中的开关管的控制信号的占空比。
下面以N＝2为例说明该环路控制装置300的具体结构，请参阅图4，图4是本申请实施例提供的一种环路控制装置的具体结构示意图。如图4所示，该环路控制装置300包括输出电压环50、第一电流环61、第二电流环62、第一飞跨电压环71、第二飞跨电压环72。
所述输出电压环50对输入的所述输出负载40的第一端的采样电压Vo_samp和设定的参考输出电压Vref进行处理，得到输出电压控制结果；
第一电流环61用于对输入的所述第一电感L1的采样电流I1_samp和设定的参考电感电流Iref/2进行处理，得到第一电流控制结果；所述第一电流环61为与图2中的第一电压变换电路11对应的电流环；
第一飞跨电压环71用于对输入的所述第一飞跨电容C1的采样电压V_samp_1和设定的参考电容电压Vref_1进行处理，得到第一飞跨电容电压控制结果；所述第一飞跨电压环71为与所述第一电压变换电路11对应的飞跨电压环；
第一发波控制器21用于根据所述输出电压控制结果、所述第一电流控制结果和所述第一飞跨电容电压控制结果控制图1中的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3的第四开关管Q4的控制信号的占空比，所述第一发波控制器21为与图2中的第一电压变换电路11对应的发波控制器。
第二电流环62用于对输入的所述第二电感L2的采样电流I2_samp和设定的参考电感电流Iref/2进行处理，得到第二电流控制结果；所述第二电流环62为与图2中的第二电压变换电路12对应的电流环；
第二飞跨电压环72用于对输入的所述第二飞跨电容C2的采样电压V_samp_2和设定的参考电容电压Vref_2进行处理，得到第二飞跨电容电压控制结果；所述第二飞跨电压环72为与所述第二电压变换电路12对应的飞跨电压环；
第二发波控制器22用于根据所述输出电压控制结果、所述第二电流控制结果和所述第二飞跨电容电压控制结果控制图2中的第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8的控制信号的占空比，所述第二发波控制器22为与图2中的第二电压变换电路12对应的发波控制器。
输出负载40的电流需求Iref，参考电感电流＝Iref/N，参考电容电压Vref_1和参考电容电压Vref_2可以设置为Vin/N。Vin为直流电源30的输出电压.
当N＝2时，参考输出电压Vref可以根据输出负载40的电压需求进行设定。参考电感电流Iref/2可以根据输出负载40的电流需求Iref进行设定。参考电容电压Vref_1和参考电容电压Vref_2可以设置为直流电源30的输出电压Vin的一半，即Vref_1＝Vin/2。
可选的，所述第一电感L1的采样电流I1_samp的采样频率大于所述输出负载40的第一端的采样电压Vo_samp的采样频率；所述第一飞跨电容C1的采样电压V_samp_1的采样频率大于所述输出负载40的第一端的采样电压Vo_samp的采样频率，所述第一电感L1的采样电流I1_samp的采样频率等于所述第一飞跨电容C1的采样电压V_samp_1的采样频率。
本申请实施例中，由于输出负载40的第一端的电压受到多路电压变换电路的影响，其变化相对缓慢，第一电感L1的采样电流和第一飞跨电容C1的采样电压在每个控制信号的周期内变化相对较大，需要更加频繁的调节，以保持第一飞跨电压环的电压稳定性，从而保证第二开关管和第三开管的电压应力不会出现大的波动，保证第二开关管和第三开管的电压应力的平衡，进而提高电压变换器的工作可靠性。
其中，第一发波控制器11可以控制图2中的Sa1、Sa2、Sa3和Sa4的占空比，第二发波控制器12可以控制图2中的Sb1、Sb2、Sb3和Sb4的占空比。
如图4所示，第一发波控制器包括图4中的第一取小电路、第一加法电路和第一减法电路和第一发波控制电路；
所述第一取小电路用于对所述输出电压控制结果和所述第一电流控制结果进行取小操作，输出第一取小结果(Piout_1)；
所述第一加法电路用于将所述第一取小结果与所述第一飞跨电容电压控制结果相加，得到第一加法结果，所述第一发波控制电路用于根据所述第一加法结果控制所述第一开关管或所述第四开关管的控制信号(Sa1/Sa4)的占空比；
所述第一减法电路用于将所述第一取小结果减去所述第一飞跨电容电压控制结果，得到第一减法结果，所述第一发波控制电路用于根据所述第一减法结果控制所述第二开关管或所述第三开关管的控制信号(Sa2/Sa3)的占空比。
如图4所示，第二发波控制器包括图4中的第二取小电路、第二加法电路和第二减法电路和第二发波控制电路；
所述第二取小电路用于对所述输出电压控制结果和所述第二电流控制结果进行取小操作，输出第二取小结果(Piout_2)；
所述第二加法电路用于将所述第二取小结果与所述第二飞跨电容电压控制结果相加，得到第二加法结果，所述第二发波控制电路用于根据所述第二加法结果控制所述第五开关管或所述第八开关管的控制信号(Sb1/Sb4)的占空比；
所述第二减法电路用于将所述第二取小结果减去所述第二飞跨电容电压控制结果，得到第二减法结果，所述第二发波控制电路用于根据所述第二减法结果控制所述第六开关管或所述第七开关管的控制信号(Sb2/Sb3)的占空比。
下面结合图4说明本申请实施例的环路控制装置的工作原理，图4中的输出电压环50可以通过实时采样图2的输出负载40的第一端的采样电压Vo_samp，将输出电压设定值Vref减去采样电压Vo_samp，得到输出电压差值V_Err，将输出电压差值V_Err作为输入量加入PI环路计算补偿器(PI环路计算补偿器包括K1、K2组成的比例模块和1/S积分模块，比例模块能够快速跟随电压设定值Vref的变化，积分模块能够消除与电压设定值Vref之间的误差，能够使得采样结果更加的接近电压设定值Vref)中，得到结果进行限幅后得到输出电压环50的输出电压控制结果。由于两路电压变换电路的输出并联，输出电压采样相同，所以两路电压变换电路共用相同的输出电压环。
第一飞跨电压环71和第二飞跨电压环72与输出电压环50的原理类似，此处不再赘述。
图4中的第一电流环61通过电流采样信号CSA采样图2中的第一电感L2的电流I1_samp，第二电流环62通过电流采样信号CSB采样图2中的第二电感L2的电流I2_samp，为了满足两路(第一电压变换电路11和第二电压变换电路12)输出电流的均流设计，将总输出电流的设定值Iref的1/2分别作为两路电流环路的参考电感电流，第一电流环61将参考电感电流Iref/2与I1_samp相减后的结果输入对应的电流环PI环路补偿器进行补偿后进行限幅，得到第一电流环61输出的第一电流控制结果。第二电流环62将参考电感电流Iref/2与I2_samp相减后的结果输入对应的电流环PI环路补偿器进行补偿后进行限幅，得到第二电流环62输出的第二电流控制结果。
将输出电压环50输出的输出电压控制结果与第一电流环61输出的第一电流控制结果输入第一取小电路，得到第一取小结果Piout_1，第一加法电路将第一取小结果Piout_1与第一飞跨电压环71输出的第一飞跨电容电压控制结果相加，得到第一加法结果，第一发波控制电路根据所述第一加法结果计算所述第一开关管或所述第四开关管的控制信号(Sa1/Sa4)的占空比，从而控制第一开关管或第四开关管的驱动发波。
将输出电压环50输出的输出电压控制结果与第二电流环62输出的第二电流控制结果输入第二取小电路，得到第二取小结果Piout_2，第一减法电路将所述第一取小结果减去第一飞跨电压环71输出的第一飞跨电容电压控制结果，得到第一减法结果，第一发波控制电路根据所述第一减法结果计算所述第二开关管或所述第三开关管的控制信号(Sa2/Sa3)的占空比，从而控制第二开关管或第三开关管的驱动发波。
将输出电压环50输出的输出电压控制结果与第二电流环61输出的第二电流控制结果输入第二取小电路，得到第二取小结果Piout_2，第二加法电路将第二取小结果Piout_2与第二飞跨电压环72输出的第二飞跨电容电压控制结果相加，得到第二加法结果，第二发波控制电路根据所述第二加法结果计算所述第五开关管或所述第八开关管的控制信号(Sb1/Sb4)的占空比，从而控制第五开关管或第八开关管的驱动发波。
将输出电压环50输出的输出电压控制结果与第二电流环62输出的第二电流控制结果输入第二取小电路，得到第二取小结果Piout_2，第二减法电路将所述第二取小结果减去第二飞跨电压环71输出的第二飞跨电容电压控制结果，得到第二减法结果，第二发波控制电路根据所述第二减法结果计算所述第六开关管或所述第七开关管的控制信号(Sb2/Sb3)的占空比，从而控制第六开关管或第七开关管的驱动发波。
其中，所述输出电压环包括：输出电压减法电路、输出电压环路补偿器和输出电压限幅电路；所述输出电压减法电路用于将所述参考输出电压减去所述输出负载的第一端的采样电压的减法结果输出至所述输出电压环路补偿器，所述输出电压环路补偿器用于对所述参考输出电压减去所述输出负载的第一端的采样电压的减法结果进行补偿后输出至所述输出电压限幅电路，所述输出电压限幅电路输出所述输出电压控制结果。
其中，所述第一电流环包括：第一电流减法电路、第一电流环路补偿器和第一电流限幅电路；所述第一电流减法电路用于将所述参考电感电流减去所述第一电感的采样电流的减法结果输出至所述第一电流环路补偿器，所述第一电流环路补偿器用于对所述参考电感电流减去所述第一电感的采样电流的减法结果进行补偿后输出至所述第一电流限幅电路，所述第一电流限幅电路输出所述第一电流控制结果。
其中，所述第一飞跨电压环包括：第一飞跨电压减法电路、第一飞跨电压环路补偿器和第一飞跨电压限幅电路；所述第一飞跨电压减法电路用于将所述参考电容电压减去所述第一飞跨电容的采样电压的减法结果输出至所述第一飞跨电压环路补偿器，所述第一飞跨电压环路补偿器用于对所述参考电容电压减去所述第一飞跨电容的采样电压的减法结果进行补偿后输出至所述第一飞跨电压限幅电路，所述第一飞跨电压限幅电路输出所述第一飞跨电容电压控制结果。
其中，所述第一开关管与所述第四开关管的控制信号为互补发波模式，在所述互补发波模式下，所述第一开关管和所述第四开关管不能同时开通；
所述第二开关管与所述第三开关管的控制信号为互补发波模式，在所述互补发波模式下，所述第二开关管和所述第三开关管不能同时开通。
其中Sa1/Sa4、Sa2/Sa3、Sb1/Sb4、Sb2/Sb3分别为互补发波方式，以Sa1和Sa4互补发波为例，即第一开关管Q1和第四开关管Q4不能同时开通，第一开关管Q1关断到第四开关管Q4开通、或者第四开关管Q4关断到第一开关管Q1开通之间可以设计一定的死区，因为当第一开关管Q1和第四开关管Q4同时开通时，直流电压的电压Vin会直接给第一飞跨电容C1充电，此时第一飞跨电容C1会产生非常大的电压尖峰，导致该路同桥臂的MOS管之间的电压不平衡。类似的，第二开关管Q2和第三开关管Q3不同同时导通，因为同时导通时，相当于第一飞跨电容C1被开关管短路，飞跨电容上的电压会急剧下降，同样会造成该路同桥臂的MOS管之间的电压不平衡。所以需要保证Sa1/Sa4、Sa2/Sa3、Sb1/Sb4、Sb2/Sb3之间两两互补发波，才能实现第一飞跨电容C1上的电压可控，实现同桥臂MOS管之间的电压平衡。
其中，所述输出电压环、所述第一电流环和所述第一取小电路组成双环竞争电路。
其中，所述N路电压变换电路中任意相邻的两路电压变换电路对应位置的开关管的相位相差180°/N。
本申请实施例中的环路控制装置，第一发波控制器可以根据输出电压环输出的输出电压控制结果、第一电流环输出的第一电流控制结果和第一飞跨电压环输出的第一飞跨电容电压控制结果控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的所述第四开关管的控制信号的占空比，由于输出电压环用于控制所述输出负载的第一端的电压稳定性，所述第一电流环用于控制所述第一电感的电流稳定性，所述第一飞跨电压环用于控制所述第一飞跨电压环的电压稳定性，环路控制装置可以在保持电压变换器的输出电压和输出电流的稳定的前提下保持第一飞跨电压环的电压稳定性，从而保证第二开关管和第三开管的电压应力不会出现大的波动，保证第二开关管和第三开管的电压应力的平衡，进而提高电压变换器的工作可靠性。
下面结合图2和图4(均以N＝2为例)说明环路控制装置的设计原理。
第一飞跨电容C1上的电流可以按照如下公式得到：
Ifly＝Is1-Is2＝I1*(D1-D2)； (1)
其中，Ifly是第一飞跨电容C1上的电流，Is1是第一开关管Q1上的电流，Is2是第二开关管Q2上的电流，I1是第一电感L1上的电流平均值，D1是第一开关管Q1的控制信号(Sa1)的占空比，D2是第二开关管Q2的控制信号(Sa2)的占空比。流过第一开关管Q1的电流，就是第一开关管Q1导通时间段，第一电感L1上升沿部分的电流，流过第二开关管Q2的电流，就是第二开关管Q2导通时间段，第一电感L1上升沿部分的电流。由于第一电感L1在稳态满载伏秒平衡，第一电感L1上升沿的电流平均值等于第一电感L1的电流平均值I1，所以流过第一开关管Q1的电流在整个开关周期的平均值为I1*D1，流过第二开关管Q2的电流在整个开关周期的平均值为I1*D2。所以第一飞跨电容C1上的平均电流为Is1与Is2之差。
所以一个开关周期内，第一飞跨电容C1的变化量△Vfly1可以表示：
△Vfly1＝I1*(D1-D2)*Ts/Cfly1； (2)
其中，△Vfly1是第一飞跨电容C1的变化量，I1是第一电感L1上的电流平均值，D1是第一开关管Q1的控制信号(Sa1)的占空比，D2是第二开关管Q2的控制信号(Sa2)的占空比，Ts是开关周期(比如，控制开关管的PWM信号的周期)，Cfly1是第一飞跨电容C1的电容的大小。
电压变换器的输出电压Vout为：
Vout＝Vfly1*D2+(Vin-Vfly1)*D1； (3)
其中，Vout电压变换器的输出电压，Vfly1是第一飞跨电容C1的电压，D1是第一开关管Q1的控制信号(Sa1)的占空比，D2是第二开关管Q2的控制信号(Sa2)的占空比，Vin是直流电源的输出电压。
上述公式(3)可以通过第一电感L1两端的伏秒平衡(电感的充能的能量等于电感的放能的能量)来推导出来的。
当D1+D2<1时，如果Sa1和Sa2的相位相差180°，第一开关管Q1和第二开关管Q2不会同时导通，第一电感L1在第一开关管Q1或第二开关管Q2导通时，第一飞跨电容C1可以向第一电感L1充能，第一电感L1在第一开关管Q1和第二开关管Q2均关断时，第一电感L1向第一飞跨电容C1放能。由于伏秒平衡，第一电感L1在第一开关管Q1导通时第一电感L1上的电压(Vin-Vfly1-Vout)与第一开关管Q1的开通时间之积为第一电感L1在第一开关管Q1导通时的充能，第一电感L1在第二开关管Q2导通时第一电感L1上的电压(Vfly1-Vout)与第二开关管Q2的开通时间之积为第一电感L1在第二开关管Q2导通时的充能，第一电感L1在第一开关管Q1和第二开关管Q2均关断时第一电感L1上的电压Vout与第一开关管Q1和第二开关管Q2同时关断的关断时间之积为第一电感L1在第一开关管Q1和第二开关管Q2均关断时的放能。第一电感L1在第一开关管Q1导通时的充能+在第二开关管Q2导通时的充能＝第一电感L1在第一开关管Q1和第二开关管Q2均关断时的放能。即：(Vin-Vfly1-Vout)*D1+(Vfly1-Vout)*D2＝(1-D1-D2)*Vout，化简后可得上述公式(3)。
请参阅图5，图5是本申请实施例提供的一种D1＝D2＝0.3的模态图。如图5所示，PWM1表示第一开关管Q1的控制信号Sa1，PWM2表示第二开关管Q2的控制信号Sa2，PWM3表示第五开关管Q5的控制信号Sb1，PWM4表示第六开关管Q6的控制信号Sb2，U_L1表示第一电感L1两端的电压，U_L2表示第二电感L2两端的电压，I1表示第一电感L1上的电流，I2表示第二电感L2上的电流，I3表示电压变换器的输出电流(I3＝I1+I2)。
当D1+D2＞1时，如果Sa1和Sa2的相位相差180°，第一开关管Q1和第二开关管Q2可以同时导通，第一开关管Q1和第二开关管Q2同时导通时，直流电源的输出电压Vin向第一电感L1充能，第一开关管Q1关断时，第一电感L1向第一飞跨电容C1放能，第二开关管Q2关断时，第一电感L1向第一飞跨电容C1放能。由于伏秒平衡，第一电感L1在第一开关管Q1和第二开关管Q2同时导通时第一电感L1上的电压(Vin-Vout)与第一开关管Q1和第二开关管Q2同时导通的开通时间之积为第一电感L1在第一开关管Q1和第二开关管Q2同时导通时的充能，第一电感L1在第一开关管Q1关断时第一电感L1上的电压(Vout-Vfly1)与第一开关管Q1的关断时间之积为第一电感L1在第一开关管Q1关断时的放能，第一电感L1在第二开关管Q2关断时第一电感L1上的电压(Vfly1+Vout-Vin)与第二开关管Q2的关断时间之积为第一电感L1在第二开关管Q2关断时的放能，第一电感L1在第一开关管Q1和第二开关管Q2同时导通时的充能＝第一电感L1在第一开关管Q1关断时的放能+第一电感L1在第二开关管Q2均关断时的放能。即：(Vin-Vout)*(D1+D2-1)＝(Vout-Vfly1)*(1-D1)+(Vfly1+Vout-Vin)*(1-D2)，化简后可得上述公式(3)。
请参阅图6，图6是本申请实施例提供的一种D1＝D2＝0.8的模态图。如图6所示，PWM1表示第一开关管Q1的控制信号Sa1，PWM2表示第二开关管Q2的控制信号Sa2，PWM3表示第五开关管Q5的控制信号Sb1，PWM4表示第六开关管Q6的控制信号Sb2，U_L1表示第一电感L1两端的电压，U_L2表示第二电感L2两端的电压，I1表示第一电感L1上的电流，I2表示第二电感L2上的电流，I3表示电压变换器的输出电流(I3＝I1+I2)。
当第一电感L1处于稳定工作状态下，第一飞跨电容C1的电压被稳定控制在Vin/2时，Sa1和Sa2的占空比应该相等，由于第一开关管Q1、第二开关管Q2是交错导通的，所以Sa1和Sa2的相位需要相差180°。由于产生Sa1的发波电路和Sa2的发波电路的不对称以及开关管本身开关性能的差异，各开关管的导通时间并不完全相等，假设D1＝D+ΔD1，D2＝D+ΔD2，带入上述公式(2)和(3)，即可得到公式(2)和(3)变形后的如下公式：
△Vfly1＝I1*(ΔD1-ΔD2)*Ts/Cfly1； (2)’
Vout＝D*Vin+(Vin-Vfly1)*ΔD1+Vfly1*ΔD2； (3)’
为了保证在动态调节第一飞跨电容C1的电压而不影响电压变换器的输出电压Vout的稳定，对同桥臂开关管Q1的占空比调节量ΔD1和开关管Q2的占空比调节量ΔD2，需要满足以下关系，才能保证电压变换器的输出电压Vout不变。
ΔD1+ΔD2＝0； (4)
即可以通过调节ΔD1和ΔD2来调节控制第一飞跨电容C1的电压Vfly1稳定在Vin/2，并且对电压变换器的输出电压Vout不构成影响。
图2的电压变换器100可以是两路交错并联的三电平降压(BUCK)电路，对于第二飞跨电容C2上增加的第一飞跨电压环的控制环路分析完全一致，控制环路中采样输入从第一飞跨电容C1的电压采样变成第二飞跨电容C2的电压采样，改变了开关管的载波信号发生器的相位，使两路相位交错90°，即驱动信号Sa1与Sb1相差90°，Sa2与Sb2相差90°，从而实现两路的三电平BUCK电路的交错并联控制。
上述公式中的“*”表示乘法运算符号，“/”表示除法运算符号。
请参阅图7，图7是本申请实施例提供的一种电压变换装置的结构示意图，如图7所示，该电压变换装置400可以包括图3所示的环路控制装置300和图1所示的电压变换器100，所述电压变换器100包括并联的N路电压变换电路(如图7所示的11～1N)、直流电源(图7中未示出，可以参见图1)和输出负载40；环路控制装置300可以包括输出电压环50、N个电流环(如图3所示的61～6N)、N个飞跨电容电压环(如图7所示的71～7N)和N个发波控制器(如图7所示的21～2N)，所述环路控制装置300用于控制电压变换器100中的开关管的控制信号的占空比。
本申请实施例中，第一发波控制器可以根据输出电压环输出的输出电压控制结果、第一电流环输出的第一电流控制结果和第一飞跨电压环输出的第一飞跨电容电压控制结果控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的所述第四开关管的控制信号的占空比，由于输出电压环用于控制所述输出负载的第一端的电压稳定性，所述第一电流环用于控制所述第一电感的电流稳定性，所述第一飞跨电压环用于控制所述第一飞跨电压环的电压稳定性，环路控制装置可以在保持电压变换器的输出电压和输出电流的稳定的前提下保持第一飞跨电压环的电压稳定性，从而保证第二开关管和第三开管的电压应力不会出现大的波动，保证第二开关管和第三开管的电压应力的平衡，进而提高电压变换器的工作可靠性。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
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，可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。

Claims (10)

1.一种环路控制装置，其特征在于，包括输出电压环、N个电流环、N个飞跨电容电压环和N个发波控制器，所述环路控制装置用于控制电压变换器中的开关管的控制信号的占空比；
所述电压变换器包括并联的N路电压变换电路、直流电源和输出负载；第一电压变换电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电感和第一飞跨电容，所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的正极，所述直流电源的负极接地，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端，所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端，所述第四开关管的第二端接地，所述第一飞跨电容跨接在所述第二开关管的第一端和所述第四开关管的第一端之间，所述第三开关管的第一端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述输出负载的第一端，所述输出负载的第二端接地；所述第一电压变换电路为所述N路电压变换电路中的任一路，N为大于或等于2的整数；
所述输出电压环对输入的所述输出负载的第一端的采样电压和设定的参考输出电压进行处理，得到输出电压控制结果；
第一电流环用于对输入的所述第一电感的采样电流和设定的参考电感电流进行处理，得到第一电流控制结果；所述第一电流环为所述N个电流环中与所述第一电压变换电路对应的电流环；
第一飞跨电压环用于对输入的所述第一飞跨电容的采样电压和设定的参考电容电压进行处理，得到第一飞跨电容电压控制结果；所述第一飞跨电压环为所述N个飞跨电压环中与所述第一电压变换电路对应的飞跨电压环；
第一发波控制器用于根据所述输出电压控制结果、所述第一电流控制结果和所述第一飞跨电容电压控制结果控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的所述第四开关管的控制信号的占空比，所述第一发波控制器为所述N个发波控制器中与所述第一电压变换电路对应的发波控制器。
2.根据权利要求1所述的环路控制装置，其特征在于，所述第一开关管与所述第四开关管的控制信号为互补发波模式，在所述互补发波模式下，所述第一开关管和所述第四开关管不能同时开通；
所述第二开关管与所述第三开关管的控制信号为互补发波模式，在所述互补发波模式下，所述第二开关管和所述第三开关管不能同时开通。
3.根据权利要求2所述的环路控制装置，其特征在于，第一发波控制器包括第一取小电路、第一加法电路和第一减法电路和第一发波控制电路；
所述第一取小电路用于对所述输出电压控制结果和所述第一电流控制结果进行取小操作，输出第一取小结果；
所述第一加法电路用于将所述第一取小结果与所述第一飞跨电容电压控制结果相加，得到第一加法结果，所述第一发波控制电路用于根据所述第一加法结果控制所述第一开关管或所述第四开关管的控制信号的占空比；
所述第一减法电路用于将所述第一取小结果减去所述第一飞跨电容电压控制结果，得到第一减法结果，所述第一发波控制电路用于根据所述第一减法结果控制所述第二开关管或所述第三开关管的控制信号的占空比。
4.根据权利要求3所述的环路控制装置，其特征在于，所述输出电压环、所述第一电流环和所述第一取小电路组成双环竞争电路。
5.根据权利要求1所述的环路控制装置，其特征在于，所述第一开关管的相位与所述第二开关管的相位相差180°。
6.根据权利要求1所述的环路控制装置，其特征在于，所述N路电压变换电路中任意相邻的两路电压变换电路对应位置的开关管的相位相差180°/N。
7.根据权利要求1～6任一项所述的环路控制装置，其特征在于，所述输出电压环包括：输出电压减法电路、输出电压环路补偿器和输出电压限幅电路；所述输出电压减法电路用于将所述参考输出电压减去所述输出负载的第一端的采样电压的减法结果输出至所述输出电压环路补偿器，所述输出电压环路补偿器用于对所述参考输出电压减去所述输出负载的第一端的采样电压的减法结果进行补偿后输出至所述输出电压限幅电路，所述输出电压限幅电路输出所述输出电压控制结果。
8.根据权利要求1～6任一项所述的环路控制装置，其特征在于，所述第一电流环包括：第一电流减法电路、第一电流环路补偿器和第一电流限幅电路；所述第一电流减法电路用于将所述参考电感电流减去所述第一电感的采样电流的减法结果输出至所述第一电流环路补偿器，所述第一电流环路补偿器用于对所述参考电感电流减去所述第一电感的采样电流的减法结果进行补偿后输出至所述第一电流限幅电路，所述第一电流限幅电路输出所述第一电流控制结果。
9.根据权利要求1～6任一项所述的环路控制装置，其特征在于，所述第一飞跨电压环包括：第一飞跨电压减法电路、第一飞跨电压环路补偿器和第一飞跨电压限幅电路；所述第一飞跨电压减法电路用于将所述参考电容电压减去所述第一飞跨电容的采样电压的减法结果输出至所述第一飞跨电压环路补偿器，所述第一飞跨电压环路补偿器用于对所述参考电容电压减去所述第一飞跨电容的采样电压的减法结果进行补偿后输出至所述第一飞跨电压限幅电路，所述第一飞跨电压限幅电路输出所述第一飞跨电容电压控制结果。
10.一种电压变换装置，其特征在于，包括电压变换器和权利要求1～9任一项所述的环路控制装置，所述电压变换器包括并联的N路电压变换电路、直流电源和输出负载；第一电压变换电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电感和第一飞跨电容，所述第一开关管的第一端连接所述直流电源的正极，所述直流电源的负极接地，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端连接所述第三开关管的第一端，所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端，所述第四开关管的第二端接地，所述第一飞跨电容跨接在所述第二开关管的第一端和所述第四开关管的第一端之间，所述第三开关管的第一端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述输出负载的第一端，所述输出负载的第二端接地；所述第一电压变换电路为所述N路电压变换电路中的任一路，N为大于或等于2的整数。
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