CN114499171A - 多模式电压变换电路、装置和控制方法和存储介质 - Google Patents

多模式电压变换电路、装置和控制方法和存储介质 Download PDF

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CN114499171A CN202210021167.0A CN202210021167A CN114499171A CN 114499171 A CN114499171 A CN 114499171A CN 202210021167 A CN202210021167 A CN 202210021167A CN 114499171 A CN114499171 A CN 114499171A
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Abstract

本申请涉及一种多模式电压变换电路、装置和控制方法和存储介质，所述多模式电压变换电路包括主电路、电压检测电路、电流检测电路、负载预测电路、主控制电路、开关管驱动电路、模式选择电路及模式选择器驱动电路。其中，负载预测电路预测出负载预测值；模式选择电路判断出主电路应该进行的工作模式并且输出模式选择信号；继电器动作，使主电路的工作模式变化；主控制电路输出驱动信号；开关管根据驱动信号开通关断，将输入直流电源的电压变换为第一电压参考值。上述多模式电压变换电路可以工作在三种不同模式，拥有着三种电压变换比并且实现输出与输入电压极性相反的电压。

Description

多模式电压变换电路、装置和控制方法和存储介质
技术领域
本申请涉及电压变换技术领域，特别是涉及一种多模式电压变换电路、装置和控制方法和存储介质。
背景技术
电力电子变换器是现代能源系统中重要的组成部分，在分布式发电系统中，高增益变换器被用于将光伏列阵输出电压升压到电网直流母线电压等级；LLC谐振变换器被用于实现软开关从而实现电能的高效传输；PFC变换器被用于实现电网系统中的功率因数较正。
随着各种各样变换器的提出与投入使用，工业生产中的工况变得越来越复杂，变换器的稳定性变得尤为重要。然而，传统的变换器由于其拓扑是固定的，往往只能满足一种工况，也只能通过控制器的设计来满足稳定性的要求。这往往难以很好地应对系统中各种复杂的工况以及负载突变。
因此，如何设计一种拓扑结构可以改变的多模式电压变换电路，使其不仅能够通过改变拓扑结构从而改变工作模式来满足系统中的突发情况，又能够预测出负载即将突变的情况，是本领域人员亟需解决的关键问题。
发明内容
基于此，有必要针对以上技术问题，提供一种多模式电压变换电路、装置和控制方法和存储介质，解决传统变换器因为拓扑无法改变从而无法满足多种工况的输出及复杂工况带来的稳定性问题。
本申请一方面提供了一种多模式电压变换电路，如图1所示，图1为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的结构及拓扑示意图。包括主电路，用于根据模式选择信号选择多模式电压变换电路的工作模式，并且用于根据开关信号控制开关管动作，以将输入电压变换到预设电压值；
其中，通过改变主电路中的模式选择器的通断，即第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3以及第四继电器J4的通断，改变多模式电压变换电路的模式；通过改变主电路中开关管S的占空比来改变所述多模式电压变换电路的电压变换比；
电压检测电路，输入端与主电路的输出端连接，输出端与负载预测电路的第一输入端相连，用于检测出主电路的输出电压Vo并传输给负载预测电路；
电流检测电路，输入端与主电路中的直流输入电源Vin的正极连接，输出端与主控制电路的第二输入端相连，用于检测出主电路的输入电流Iin并传输给主控制电路；
负载预测电路，第一输入端与电压检测电路的输出端连接，第二输出端与第一电压参考值Vref1连接，输出端与主控制电路的第一输入端及模式选择电路输入端连接，用于根据主电路的输出电压Vo和第一电压参考值Vref1，通过预测和校准，预测出负载下一步变化的负载预测值Vp并传输给主控制电路及模式选择电路；
主控制电路，第一输入端与负载预测电路的输出端连接，第二输入端电流检测电路的输出端连接，输出端与开关管驱动电路的输入端连接，用于根据负载预测值Vp和输入电流Iin即实时电路状态计算出使主电路输出电压回到预设值的占空比d并传输给开关管驱动电路；
开关管驱动电路，输入端与主控制电路的输出端相连，输出端与主控制电路中的开关管S的第三端连接，用于根据占空比d进行电压电流放大，输出足以驱动开关管S的PWM信号；
模式选择电路，输入端与负载预测电路的输出端连接，第一输出端与模式选择器驱动电路的第一输入端连接，第二输出端与模式选择器驱动电路的第二输入端连接，第三输出端与模式选择器驱动电路的第三输入端连接，第四输出端与模式选择器驱动电路的第四输入端连接，模式选择电路将电压划分为三个电压区间，根据负载预测值Vp所在电压区间，输出第一模式选择信号b1至模式选择器驱动电路的第一输入端，输出第二模式选择信号b2至模式选择器驱动电路的第二输入端，输出第三模式选择信号b3至模式选择器驱动电路的第三输入端，输出第四模式选择信号b4至模式选择器驱动电路的第四输入端，从而选择主电路的工作模式；
模式选择器驱动电路，第一输入端与模式选择电路的第一输出端连接，第二输入端与模式选择电路的第二输出端连接，第三输入端与模式选择电路的第三输出端连接，第四输入端与模式选择电路的第四输出端连接，第一输出端与主电路中的第一继电器J1的信号端连接，第二输出端与主电路中的第二继电器J2的信号端连接，第三输出端与主电路中的第三继电器J3的信号端连接，第四输出端与主电路中的第四继电器J4的信号端连接，用于将第一模式选择信号b1、第二模式选择信号b2、第三模式选择信号b3和第四模式选择信号b4进行电流放大，输出足以驱动第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4的信号。
在其中一个实施例中，所述主电路包括直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、开关管S、负载R1、第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4；
所述直流输入电源Vin的正极与所述第一电感L1的第一端连接；所述第一电感L1的第二端与所述开关管S的第一端、所述第一继电器J1的公共端及所述第二继电器J2的公共端连接；所述第二继电器J2的常开端与所述第一电容C1的第一端连接；所述第一电容C1的第二端与所述第一二极管D1的阴极及所述第二电感L2的第一端连接；所述第二电感L2的第二端与所述第二电容C2的第二端、所述第三继电器J3的常开端及所述第四继电器J4的常开端连接；所述第一继电器J1的常闭端与所述第二二极管D2的阳极连接；所述第二二极管D2的阴极与所述第三继电器J3的常闭端及所述第三电容C3的第二端连接；所述第三继电器J3的公共端与所述负载R1的第一端连接；所述负载R1的第二端与所述第四继电器J4的公共端连接；所述直流输入电源Vin的负极与所述开关管S的第二端、所述第一二极管D1的阴极、所述第二电容C2的第一端、所述第三电容C3的第二端及所述第四继电器J4的常闭端连接。
在其中一个实施例中，所述的多模式电压变换电路的主电路，通过改变所述的多模式电压变换电路根据模式选择器信号端的状态，即通过改变所述第一继电器J1、所述第二继电器J2、所述第三继电器J3和所述第四继电器J4的信号端的状态，从而使多模式电压变换电路的工作模式发生变化，工作模式分别为低功耗模式、高增益模式及负极性模式，所对应的继电器信号端状态及电压变换比G如下：
低功耗模式，如图3所示，图3为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的低功耗工作模式的状态及拓扑示意图。对应所述第一继电器J1的信号端为低电平、所述第二继电器J2的信号端为低电平、所述第三继电器J3的信号端为低电平、所述第四继电器J4的信号端为低电平，即所述第一继电器J1的常闭端闭合、所述第二继电器J2的常闭端闭合、所述第三继电器J3的常闭端闭合、所述第四继电器J4的常闭端闭合，此时电压变换比
Figure BDA0003462652840000051
高增益模式，如图4所示，图4为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的高增益工作模式的状态及拓扑示意图。对应所述第一继电器J1的信号端为低电平、所述第二继电器J2的信号端为高电平、所述第三继电器J3的信号端为低电平、所述第四继电器J4的信号端为高电平，即所述第一继电器J1的常闭端闭合、所述第二继电器J2的常开端闭合、所述第三继电器J3的常闭端闭合、所述第四继电器J4的常开端闭合，此时电压变换比
Figure BDA0003462652840000052
负极性模式，如图5所示，图5为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的负极性工作模式的状态及拓扑示意图。对应所述第一继电器J1的信号端为高电平、所述第二继电器J2的信号端为高电平、所述第三继电器J3的信号端为高电平、所述第四继电器J4的信号端为低电平，即所述第一继电器J1的常开端闭合、所述第二继电器J2的常开端闭合、所述第三继电器J3的常开端闭合、所述第四继电器J4的常闭端闭合，此时电压变换比
Figure BDA0003462652840000053
在其中一个实施例中，所述模式选择电路包括第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第一与门AND1、第二与门AND2、或门OR、异或门XOR、第二参考电压Vref2及第三参考电压Vref3；
所述第一比较器COMP1的正输入端与所述负载预测电路的输出端及所述第二比较器COMP2的正输入端连接；所述第一比较器COMP2的负输入端与所述第三参考电压Vref3连接；所述第二比较器COMP1的负输入端与所述第二参考电压Vref2连接；所述第一比较器COMP1的输出端与所述第一与门AND1的第一端输入端、所述或门OR的第一端输入端、所述第二与门AND2的第一端输入端及所述异或门XOR的第一输入端连接；所述第二比较器COMP2的输出端与所述第一与门AND1的第二端输入端、所述或门OR的第二端输入端、所述第二与门AND2的第二端输入端及所述异或门XOR的第二输入端连接；所述第一与门AND1的输出端与所述模式选择器驱动电路的第一输入端连接；所述或门OR的输出端与所述模式选择器驱动电路的第二输入端连接；所述第二与门AND2的输出端与所述模式选择器驱动电路的第三输入端连接；所述异与门XOR的输出端与所述模式选择器驱动电路的第四输入端连接；所述第一与门AND1的输出端为所述模式选择电路的第一输出端；所述或门OR的输出端为所述模式选择电路的第二输出端；所述第二与门AND2的输出端为所述模式选择电路的第三输出端；所述异与门XOR的输出端为所述模式选择电路的第四输出端。
在其中一个实施例中，通过所述第二参考电压Vref2和所述第三参考电压Vref3将电压划分为三个电压区间；通过所述第一比较器COMP1和所述第二比较器COMP2获得所述负载预测值Vp所在哪个电压区间，从而知道负载的变化剧烈程度及主电路应该变化为哪种工作模式；再通过第一与门AND1、第二与门AND2、或门OR及异或门XOR运算出第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3及第四继电器J4信号端应该给定的信号；具体如下：
若负载预测值VP小于第二电压参考值Vref2，则第一比较器COMP1输出0，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较小，说明主电路应该工作在低功耗模式，第一与门AND1输出0，或门OR输出0，第二与门AND2输出0，异或门XOR输出0；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为低电平，第三继电器J3信号端为低电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路被切换到低功耗工作模式；
若负载预测值VP大于第二电压参考值Vref2且小于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较大，说明主电路应该工作在高增益模式，第一与门AND1输出0，或门OR输出1，第二与门AND2输出0，异或门XOR输出1；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为高电平，第三继电器J3信号端为低电平，第四继电器J4信号端为高电平，主电路被切换到高增益工作模式；
若负载预测值VP大于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出1；此时负载变化巨大，说明主电路应该工作在负极性模式，第一与门AND1输出1，或门OR输出1，第二与门AND2输出1，异或门XOR输出0；第一继电器J1信号端为高电平，第二继电器J2信号端为高电平，第三继电器J3信号端为高电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路被切换到负极性工作模式。
在其中一个实施例中，所述的第二电压参考值Vref2比第三电压参考值Vref3小，其具体值应根据实际工况设定或使用大量样本让神经网络模型离线训练出。
在其中一个实施例中，还包括：
所述的模式选择器驱动电路包括第一非门INV1，第二非门INV2，第三非门INV3，第四非门INV4，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9，第一三极管Q1，第二三极管Q2，第三三极管Q3，第四三极管Q4；
所述第一非门INV1的输入端与所述模式选择电路的第一的输出端连接；所述第一非门INV1的输出端与所述第二电阻R2的第一端连接；所述第二电阻R2的第二端与所述第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的集电极与所述第三电阻R3的第二端及所述第一继电器J1的信号端连接；所述第三电阻R3的第一端与12V电压连接；所述第一三极管Q1的发射极与地连接；
所述第二非门INV2的输入端与所述模式选择电路的第二输出端连接；所述第二非门INV2的输出端与所述第四电阻R4的第一端连接；所述第四电阻R4的第二端与所述第二三极管Q2的基极连接；所述第二三极管Q2的集电极与所述第五电阻R5的第二端及所述第二继电器J2的信号端连接；所述第五电阻R5的第一端与12V电压连接；所述第二三极管Q2的发射极与地连接；
所述第三非门INV3的输入端与所述模式选择电路的第三输出端连接；所述第三非门INV3的输出端与所述第六电阻R6的第一端连接；所述第六电阻R6的第二端与所述第三三极管Q3的基极连接；所述第三三极管Q3的集电极与所述第七电阻R7的第二端及所述第三继电器J3的信号端连接；所述第七电阻R7的第一端与12V电压连接；所述第三三极管Q3的发射极与地连接；
所述第四非门INV4的输入端与所述模式选择电路的第四输出端连接；所述第四非门INV4的输出端与所述第八电阻R8的第一端连接；所述第八电阻R8的第二端与所述第四三极管Q4的基极连接；所述第四三极管Q4的集电极与所述第九电阻R9的第二端及所述第四继电器J4的信号端连接；所述第九电阻R9的第一端与12V电压连接；所述第四三极管Q4的发射极与地连接；
所述第一非门INV1的输入端为所述模式选择驱动电路的第一输入端；所述第二非门INV2的输入端为所述模式选择驱动电路的第二输入端；所述第三非门INV3的输入端为所述模式选择驱动电路的第三输入端；所述第四非门INV4的输入端为所述模式选择驱动电路的第四输入端。
本申请第二方面提供了一种多模式电压变换装置，包括：
前一实施例中所述的多模式电压变换电路。
本申请第三方面提供了一种多模式电压变换控制方法，用于控制前述任一实施例所述的变换电路；如图2所示，图2为本申请第三实施例中提供的多模式电压变换控制方法的工作流程图。所述控制方法包括：
S1：负载预测电路根据主电路的输出电压Vo和第一参考电压Vref1预测出负载预测值Vp；
S2：模式选择电路根据负载预测值Vp、第二电压参考值Vref2及第三电压参考值Vref3判断出主电路应该进行的工作模式并且输出第一模式选择信号b1、第二模式选择信号b2、第三模式选择信号b3及第四模式选择信号b4；
S3：模式选择器驱动电路放大第一模式选择信号b1、第二模式选择信号b2、第三模式选择信号b3及第四模式选择信号b4；
S4：第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3及第四继电器J4动作，使主电路的工作模式变化；
S5：主控制电路根据负载预测值Vp和主电路的输入电流Io输出占空比d；
S6：开关管驱动电路根据占空比d的电压电流，输出PWM信号；
S7：开关管根据PWM信号开通关断，将输入直流电源的电压变换为第一电压参考值Vref1。
本申请第四方面提供了一种存储介质，其特征在于，所述存储介质是计算机可读的，且其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上一实施例中S1、S2及S5所述的多模式电压变换控制方法的步骤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的结构及拓扑示意图；
图2为本申请第三实施例中提供的多模式电压变换控制方法的工作流程图；
图3为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的低功耗工作模式的状态及拓扑示意图；
图4为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的高增益工作模式的状态及拓扑示意图；
图5为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的负极性工作模式的状态及拓扑示意图；
图6为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的三种工作模式的增益曲线图；
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
在本申请提供的一个实施例中，如图1所示，提供了一种多模式电压变换电路，包括主电路，电压检测电路，电流检测电路，负载预测电路，主控制电路，开关管驱动电路，模式选择电路及模式选择器驱动电路。
其中，电压检测电路，输入端与主电路的输出端连接，输出端与负载预测电路的第一输入端相连；电流检测电路，输入端与主电路中的直流输入电源Vin的正极连接，输出端与主控制电路的第二输入端相连；负载预测电路，第一输入端与电压检测电路的输出端连接，第二输出端与第一电压参考值Vref1连接，第一输出端与主控制电路的第一输入连接，第二输出端与模式选择电路的第一输入端连接；主控制电路，第一输入端与负载预测电路的输出端连接，第二输入端电流检测电路的输出端连接，输出端与开关管驱动电路的输入端连接；开关管驱动电路，输入端与主控制电路的输出端相连，输出端与主控制电路中的开关管S的第三端连接；模式选择电路，第一输入端与负载预测电路的输出端连接，第二输入端与第二电压参考值Vref2连接，第三输入端与第三电压参考值Vref3连接，第一输出端与模式选择器驱动电路的第一输入端连接，第二输出端与模式选择器驱动电路的第二输入端连接，第三输出端与模式选择器驱动电路的第三输入端连接，第四输出端与模式选择器驱动电路的第四输入端连接；模式选择器驱动电路，第一输入端与模式选择电路的第一输出端连接，第二输入端与模式选择电路的第二输出端连接，第三输入端与模式选择电路的第三输出端连接，第四输入端与模式选择电路的第四输出端连接，第一输出端与主电路中的第一继电器J1的信号端连接，第二输出端与主电路中的第二继电器J2的信号端连接，第三输出端与主电路中的第三继电器J3的信号端连接，第四输出端与主电路中的第四继电器J4的信号端连接。
所述主电路包括直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、开关管S、负载R1、第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4；
所述直流输入电源Vin的正极与所述第一电感L1的第一端连接；所述第一电感L1的第二端与所述开关管S的第一端、所述第一继电器J1的公共端及所述第二继电器J2的公共端连接；所述第二继电器J2的常开端与所述第一电容C1的第一端连接；所述第一电容C1的第二端与所述第一二极管D1的阴极及所述第二电感L2的第一端连接；所述第二电感L2的第二端与所述第二电容C2的第二端、所述第三继电器J3的常开端及所述第四继电器J4的常开端连接；所述第一继电器J1的常闭端与所述第二二极管D2的阳极连接；所述第二二极管D2的阴极与所述第三继电器J3的常闭端及所述第三电容C3的第二端连接；所述第三继电器J3的公共端与所述负载R1的第一端连接；所述负载R1的第二端与所述第四继电器J4的公共端连接；所述直流输入电源Vin的负极与所述开关管S的第二端、所述第一二极管D1的阴极、所述第二电容C2的第一端、所述第三电容C3的第二端及所述第四继电器J4的常闭端连接。
所述模式选择电路包括第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第一与门AND1、第二与门AND2、或门OR及异或门XOR；
所述第一比较器COMP1的正输入端与所述负载预测电路的输出端及所述第二比较器COMP2的正输入端连接；所述第一比较器COMP2的负输入端与所述第三参考电压Vref3连接；所述第二比较器COMP1的负输入端与所述第二参考电压Vref2连接；所述第一比较器COMP1的输出端与所述第一与门AND1的第一端输入端、所述或门OR的第一端输入端、所述第二与门AND2的第一端输入端及所述异或门XOR的第一输入端连接；所述第二比较器COMP2的输出端与所述第一与门AND1的第二端输入端、所述或门OR的第二端输入端、所述第二与门AND2的第二端输入端及所述异或门XOR的第二输入端连接。所述的模式选择器驱动电路包括第一非门INV1，第二非门INV2，第三非门INV3，第四非门INV4，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9，第一三极管Q1，第二三极管Q2，第三三极管Q3，第四三极管Q4；
所述第一非门INV1的输入端与所述与门AND的输出端连接；所述第一非门INV1的输出端与所述第二电阻R2的第一端连接；所述第二电阻R2的第二端与所述第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的集电极与所述第三电阻R3的第二端及所述第一继电器J1的信号端连接；所述第三电阻R3的第一端与12V电压连接；所述第一三极管Q1的发射极与地连接；
所述第二非门INV2的输入端与所述第一或门OR1的输出端连接；所述第二非门INV2的输出端与所述第四电阻R4的第一端连接；所述第四电阻R4的第二端与所述第二三极管Q2的基极连接；所述第二三极管Q2的集电极与所述第五电阻R5的第二端及所述第二继电器J2的信号端连接；所述第五电阻R5的第一端与12V电压连接；所述第二三极管Q2的发射极与地连接；
所述第三非门INV3的输入端与所述第二或门OR2的输出端连接；所述第三非门INV3的输出端与所述第六电阻R6的第一端连接；所述第六电阻R6的第二端与所述第三三极管Q3的基极连接；所述第三三极管Q3的集电极与所述第七电阻R7的第二端及所述第三继电器J3的信号端连接；所述第七电阻R7的第一端与12V电压连接；所述第三三极管Q3的发射极与地连接；
所述第四非门INV4的输入端与所述异或门XOR的输出端连接；所述第四非门INV4的输出端与所述第八电阻R8的第一端连接；所述第八电阻R8的第二端与所述第四三极管Q4的基极连接；所述第四三极管Q4的集电极与所述第九电阻R9的第二端及所述第四继电器J4的信号端连接；所述第九电阻R9的第一端与12V电压连接；所述第四三极管Q4的发射极与地连接。
若负载预测值VP小于第二电压参考值Vref2，则第一比较器COMP1输出0，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较小，说明主电路应该工作在低功耗模式，第一与门AND1输出0，或门OR输出0，第二与门AND2输出0，异或门XOR输出0；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为低电平，第三继电器J3信号端为低电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路被切换到低功耗工作模式；如图3所示。
低功耗工作模式有两个模态，当主电路在低功耗工作模式模态1时，开关管S导通，直流输入电源Vin给第一电感L1充电，第三电容C3给负载供电；当主电路在低功耗工作模式模态2时，开关管S断开，直流输入电源Vin及第一电感L1充电给第三电容C3充电，给负载供电。
对以上两个模态分析，可得第一电感L1的电压为：
Figure BDA0003462652840000161
根据电感的伏秒平衡定理，可以得出：
Figure BDA0003462652840000162
若负载预测值VP大于第二电压参考值Vref2且小于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较大，说明主电路应该工作在高增益模式，第一与门AND1输出0，或门OR输出1，第二与门AND2输出0，异或门XOR输出1；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为高电平，第三继电器J3信号端为低电平，第四继电器J4信号端为高电平，主电路被切换到高增益工作模式；如图4所示。
高增益工作模式有两个模态，当主电路在高增益工作模式模态1时，开关管S导通，直流输入电源Vin给第一电感L1充电，第一电容C1给第二电感L2充电，第一电容C1及第三电容C3给负载供电；当主电路在高增益工作模式模态2时，开关管S断开，直流输入电源Vin及第一电感L1充电给第三电容C3及第一电容C1充电，给负载供电。
对以上两个模态分析，可得第一电感L1的电压为：
Figure BDA0003462652840000163
Figure BDA0003462652840000164
根据电感的伏秒平衡定理，可以得出：
Figure BDA0003462652840000171
若负载预测值VP大于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出1；此时负载变化巨大，说明主电路应该工作在负极性模式，第一与门AND1输出1，或门OR输出1，第二与门AND2输出1，异或门XOR输出0；第一继电器J1信号端为高电平，第二继电器J2信号端为高电平，第三继电器J3信号端为高电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路被切换到负极性工作模式；如图5所示。
负极性工作模式有两个模态，当主电路在负极性工作模式模态1时，开关管S导通，直流输入电源Vin给第一电感L1充电，第一电容C1给第二电感L2充电，给负载供电；当主电路在负极性工作模式模态2时，开关管S断开，直流输入电源Vin及第一电感L1充电给第一电容C1充电，第二电感L2给负载供电。
对以上两个模态分析，可得第一电感L1的电压为：
Figure BDA0003462652840000172
Figure BDA0003462652840000173
根据电感的伏秒平衡定理，可以得出：
Figure BDA0003462652840000174
多模式电压变换电路的三种工作模式的增益曲线图如图6所示。

Claims (10)

1.一种多模式电压变换电路，其特征在于，包括：
主电路，用于根据模式选择信号选择多模式电压变换电路的工作模式，并且用于根据开关信号控制开关管动作，以将输入电压变换到预设电压值；
其中，通过改变主电路中的模式选择器的通断，即第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3以及第四继电器J4的通断，改变多模式电压变换电路的模式；通过改变主电路中开关管S的占空比来改变所述多模式电压变换电路的电压变换比；
电压检测电路，输入端与主电路的输出端连接，输出端与负载预测电路的第一输入端相连，用于检测出主电路的输出电压Vo并传输给负载预测电路；
电流检测电路，输入端与主电路中的直流输入电源Vin的正极连接，输出端与主控制电路的第二输入端相连，用于检测出主电路的输入电流Iin并传输给主控制电路；
负载预测电路，第一输入端与电压检测电路的输出端连接，第二输出端与第一电压参考值Vref1连接，输出端与主控制电路的第一输入端及模式选择电路输入端连接，用于根据主电路的输出电压Vo和第一电压参考值Vref1，通过预测和校准，预测出负载下一步变化的负载预测值Vp并传输给主控制电路及模式选择电路；
主控制电路，第一输入端与负载预测电路的输出端连接，第二输入端与电流检测电路的输出端连接，输出端与开关管驱动电路的输入端连接，用于根据负载预测值Vp和输入电流Iin即实时电路状态计算出使主电路输出电压回到预设值的占空比d并传输给开关管驱动电路；
开关管驱动电路，输入端与主控制电路的输出端相连，输出端与主电路中的开关管S的第三端连接，用于根据占空比d进行电压电流放大，输出足以驱动开关管S的PWM信号；
模式选择电路，输入端与负载预测电路的输出端连接，第一输出端与模式选择器驱动电路的第一输入端连接，第二输出端与模式选择器驱动电路的第二输入端连接，第三输出端与模式选择器驱动电路的第三输入端连接，第四输出端与模式选择器驱动电路的第四输入端连接，模式选择电路将电压划分为三个电压区间，根据负载预测值Vp所在电压区间，输出第一模式选择信号b1至模式选择器驱动电路的第一输入端，输出第二模式选择信号b2至模式选择器驱动电路的第二输入端，输出第三模式选择信号b3至模式选择器驱动电路的第三输入端，输出第四模式选择信号b4至模式选择器驱动电路的第四输入端，从而选择主电路的工作模式；
模式选择器驱动电路，第一输入端与模式选择电路的第一输出端连接，第二输入端与模式选择电路的第二输出端连接，第三输入端与模式选择电路的第三输出端连接，第四输入端与模式选择电路的第四输出端连接，第一输出端与主电路中的第一继电器J1的信号端连接，第二输出端与主电路中的第二继电器J2的信号端连接，第三输出端与主电路中的第三继电器J3的信号端连接，第四输出端与主电路中的第四继电器J4的信号端连接，用于将第一模式选择信号b1、第二模式选择信号b2、第三模式选择信号b3和第四模式选择信号b4进行电流放大，输出足以驱动第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4的信号。
2.根据权利要求1所述的多模式电压变换电路，其特征在于，所述主电路包括直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、开关管S、负载R1、第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4；
所述直流输入电源Vin的正极与所述第一电感L1的第一端连接；所述第一电感L1的第二端与所述开关管S的第一端、所述第一继电器J1的公共端及所述第二继电器J2的公共端连接；所述第二继电器J2的常开端与所述第一电容C1的第一端连接；所述第一电容C1的第二端与所述第一二极管D1的阴极及所述第二电感L2的第一端连接；所述第二电感L2的第二端与所述第二电容C2的第二端、所述第三继电器J3的常开端及所述第四继电器J4的常开端连接；所述第一继电器J1的常闭端与所述第二二极管D2的阳极连接；所述第二二极管D2的阴极与所述第三继电器J3的常闭端及所述第三电容C3的第二端连接；所述第三继电器J3的公共端与所述负载R1的第一端连接；所述负载R1的第二端与所述第四继电器J4的公共端连接；所述直流输入电源Vin的负极与所述开关管S的第二端、所述第一二极管D1的阴极、所述第二电容C2的第一端、所述第三电容C3的第二端及所述第四继电器J4的常闭端连接。
3.根据权利要求1所述的多模式电压变换电路，其特征在于，通过改变所述的多模式电压变换电路的主电路中的模式选择器信号端的状态，即通过改变所述第一继电器J1、所述第二继电器J2、所述第三继电器J3和所述第四继电器J4的信号端的状态，从而使多模式电压变换电路的工作模式发生变化，工作模式分别为低功耗模式、高增益模式及负极性模式，所对应的继电器信号端状态及电压变换比G如下：
低功耗模式，对应所述第一继电器J1的信号端为低电平、所述第二继电器J2的信号端为低电平、所述第三继电器J3的信号端为低电平、所述第四继电器J4的信号端为低电平，即所述第一继电器J1的常闭端闭合、所述第二继电器J2的常闭端闭合、所述第三继电器J3的常闭端闭合、所述第四继电器J4的常闭端闭合，此时电压变换比
Figure FDA0003462652830000041
高增益模式，对应所述第一继电器J1的信号端为低电平、所述第二继电器J2的信号端为高电平、所述第三继电器J3的信号端为低电平、所述第四继电器J4的信号端为高电平，即所述第一继电器J1的常闭端闭合、所述第二继电器J2的常开端闭合、所述第三继电器J3的常闭端闭合、所述第四继电器J4的常开端闭合，此时电压变换比
Figure FDA0003462652830000042
负极性模式，对应所述第一继电器J1的信号端为高电平、所述第二继电器J2的信号端为高电平、所述第三继电器J3的信号端为高电平、所述第四继电器J4的信号端为低电平，即所述第一继电器J1的常开端闭合、所述第二继电器J2的常开端闭合、所述第三继电器J3的常开端闭合、所述第四继电器J4的常闭端闭合，此时电压变换比
Figure FDA0003462652830000051
4.根据权利要求1所述的多模式电压变换电路，其特征在于，所述模式选择电路包括第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第一与门AND1、第二与门AND2、或门OR、异或门XOR、第二参考电压Vref2及第三参考电压Vref3；
所述第一比较器COMP1的正输入端与所述负载预测电路的输出端及所述第二比较器COMP2的正输入端连接；所述第一比较器COMP1的负输入端与所述第二参考电压Vref2连接；所述第二比较器COMP2的负输入端与所述第三参考电压Vref3连接；所述第一比较器COMP1的输出端与所述第一与门AND1的第一端输入端、所述或门OR的第一端输入端、所述第二与门AND2的第一端输入端及所述异或门XOR的第一输入端连接；所述第二比较器COMP2的输出端与所述第一与门AND1的第二端输入端、所述或门OR的第二端输入端、所述第二与门AND2的第二端输入端及所述异或门XOR的第二输入端连接；所述第一与门AND1的输出端与所述模式选择器驱动电路的第一输入端连接；所述或门OR的输出端与所述模式选择器驱动电路的第二输入端连接；所述第二与门AND2的输出端与所述模式选择器驱动电路的第三输入端连接；所述异与门XOR的输出端与所述模式选择器驱动电路的第四输入端连接；所述第一与门AND1的输出端为所述模式选择电路的第一输出端；所述或门OR的输出端为所述模式选择电路的第二输出端；所述第二与门AND2的输出端为所述模式选择电路的第三输出端；所述异与门XOR的输出端为所述模式选择电路的第四输出端。
5.根据权利要求1或4所述的多模式电压变换电路，其特征在于，通过所述第二参考电压Vref2和所述第三参考电压Vref3将输出电压划分为三个电压区间；所述的模式选择电路通过所述第一比较器COMP1和所述第二比较器COMP2获得所述负载预测值Vp所在哪个电压区间，从而知道负载的变化剧烈程度及主电路应该变化为哪种工作模式；再通过第一与门AND1、第二与门AND2、或门OR及异或门XOR运算出第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3及第四继电器J4信号端应该给定的信号；具体如下：
若负载预测值VP小于第二电压参考值Vref2，则第一比较器COMP1输出0，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较小，说明主电路应该工作在低功耗模式，第一与门AND1输出0，或门OR输出0，第二与门AND2输出0，异或门XOR输出0；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为低电平，第三继电器J3信号端为低电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路被切换到低功耗工作模式；
若负载预测值VP大于第二电压参考值Vref2且小于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较大，说明主电路应该工作在高增益模式，第一与门AND1输出0，或门OR输出1，第二与门AND2输出0，异或门XOR输出1；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为高电平，第三继电器J3信号端为低电平，第四继电器J4信号端为高电平，主电路被切换到高增益工作模式；
若负载预测值VP大于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出1；此时负载变化巨大，说明主电路应该工作在负极性模式，第一与门AND1输出1，或门OR输出1，第二与门AND2输出1，异或门XOR输出0；第一继电器J1信号端为高电平，第二继电器J2信号端为高电平，第三继电器J3信号端为高电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路被切换到负极性工作模式。
6.根据权利要求1所述的多模式电压变换电路，其特征在于，所述的第二电压参考值Vref2比第三电压参考值Vref3小，其具体值应根据实际工况设定或使用大量样本让神经网络模型离线训练出。
7.根据权利要求1所述的多模式电压变换电路，其特征在于，所述的模式选择器驱动电路包括第一非门INV1，第二非门INV2，第三非门INV3，第四非门INV4，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9，第一三极管Q1，第二三极管Q2，第三三极管Q3，第四三极管Q4；
所述第一非门INV1的输入端与所述模式选择电路的第一输出端连接；所述第一非门INV1的输出端与所述第二电阻R2的第一端连接；所述第二电阻R2的第二端与所述第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的集电极与所述第三电阻R3的第二端及所述第一继电器J1的信号端连接；所述第三电阻R3的第一端与12V电压连接；所述第一三极管Q1的发射极与地连接；
所述第二非门INV2的输入端与所述模式选择电路的第二输出端连接；所述第二非门INV2的输出端与所述第四电阻R4的第一端连接；所述第四电阻R4的第二端与所述第二三极管Q2的基极连接；所述第二三极管Q2的集电极与所述第五电阻R5的第二端及所述第二继电器J2的信号端连接；所述第五电阻R5的第一端与12V电压连接；所述第二三极管Q2的发射极与地连接；
所述第三非门INV3的输入端与所述模式选择电路的第三输出端连接；所述第三非门INV3的输出端与所述第六电阻R6的第一端连接；所述第六电阻R6的第二端与所述第三三极管Q3的基极连接；所述第三三极管Q3的集电极与所述第七电阻R7的第二端及所述第三继电器J3的信号端连接；所述第七电阻R7的第一端与12V电压连接；所述第三三极管Q3的发射极与地连接；
所述第四非门INV4的输入端与所述模式选择电路的第四输出端连接；所述第四非门INV4的输出端与所述第八电阻R8的第一端连接；所述第八电阻R8的第二端与所述第四三极管Q4的基极连接；所述第四三极管Q4的集电极与所述第九电阻R9的第二端及所述第四继电器J4的信号端连接；所述第九电阻R9的第一端与12V电压连接；所述第四三极管Q4的发射极与地连接；
所述第一非门INV1的输入端为所述模式选择驱动电路的第一输入端；所述第二非门INV2的输入端为所述模式选择驱动电路的第二输入端；所述第三非门INV3的输入端为所述模式选择驱动电路的第三输入端；所述第四非门INV4的输入端为所述模式选择驱动电路的第四输入端。
8.一种多模式电压变换装置，其特征在于，包括：
权利要求1-7任一项所述的多模式电压变换电路。
9.一种多模式电压变换控制方法，其特征在于，用于控制权利要求1-8任一项所述的多模式电压变换电路；所述多模式电压变换控制方法包括：
S1：负载预测电路根据主电路的输出电压Vo和第一参考电压Vref1预测出负载预测值Vp；
S2：模式选择电路根据负载预测值Vp、第二电压参考值Vref2及第三电压参考值Vref3判断出主电路应该进行的工作模式并且输出第一模式选择信号b1、第二模式选择信号b2、第三模式选择信号b3及第四模式选择信号b4；
S3：模式选择器驱动电路放大第一模式选择信号b1、第二模式选择信号b2、第三模式选择信号b3及第四模式选择信号b4；
S4：第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3及第四继电器J4动作，使主电路的工作模式变化；
S5：主控制电路根据负载预测值Vp和主电路的输入电流Io输出占空比d；
S6：开关管驱动电路根据占空比d，输出PWM信号；
S7：开关管根据PWM信号开通关断，将输入直流电源的电压变换为第一电压参考值Vref1。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质是计算机可读的，且其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求9中S1、S2及S5所述的多模式电压变换控制方法的步骤。
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