CN115051542A - 一种消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率变换器技术领域，涉及一种消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路，包括功率电路和控制电路，功率电路与控制电路电性连接，控制电路包括：电压采样装置6、PI补偿器7、基准电压8、斜率自适应锯齿波产生电路、比较器13和驱动电路14。本发明为了消除级联开关功率变换器中由后级变换器输入电流纹波前馈引起的高频振荡，提高级联开关功率变换器的稳定性。

Description

一种消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路
技术领域
本发明涉及功率变换器技术领域，尤其涉及一种消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路。
背景技术
随着现代电源技术的发展，分布式供电系统以其高效率、高功率密度、高灵活性等特点而广泛应用于数据中心、通讯设备、电动汽车、多电飞机等。在分布式供电系统中，开关变换器级联是一种典型的连接方式。在级联开关变换器中，前级变换器的输出作为后级开关变换器的输入。这样，后级开关变换器的输入电压由前级变换器的输出电压决定，前级变换器的输出电流由后级开关变换器的输入电流决定。同时，后级开关变换器的输入电流纹波可以前馈至前级变换器的输出电容，引起前级变换器的输出电压纹波特性发生较大的变化，从而影响级联开关变换器的稳定性。
在开关变换器的控制方法中，PI控制因控制电路简单、易于设计等特点而被广泛使用。在PI控制的控制电路中，功率级电路的输出电压与基准电压通过PI补偿器进行误差放大并产生控制信号，然后控制信号与锯齿波通过比较器进行比较产生控制脉冲，控制功率级电路的开关器件，实现输出电压的控制。然而，在级联开关功率变换器中，当前级变换器的输出电压在较宽范围变化时，后级开关变换器前馈的电流纹波可能导致前级变换器控制电路中的控制信号与锯齿波重合，从而导致前级变换器中存在高频振荡。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了消除级联开关功率变换器中由后级变换器输入电流纹波前馈引起的高频振荡，提高级联开关功率变换器的稳定性。
本发明所采用的技术方案：一种消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路，包括：
前级变换器和后继变换器，前级变换器包括：功率电路和控制电路，功率电路与控制电路电性连接。
进一步的，功率电路包括：输入装置1、开关装置2、滤波装置3和输出装置4，输入装置1依次与开关装置2、滤波装置3和输出装置4连接。
进一步的，控制电路包括：电压采样装置6、PI补偿器7、基准电压8、斜率自适应锯齿波产生电路、比较器13和驱动电路14，斜率自适应锯齿波产生电路包括：压控电流源9、时钟10、开关装置11、电容器12，电压采样装置6的输入和输出端分别与输出装置4和PI补偿器7连接，电压采样装置6输出端还与压控电流源9输入端连接，基准电压8输出端与PI补偿器7的输入端连接；时钟10连接到开关装置11上；开关装置11和压控电流源9均连接到电容器12；PI补偿器7和电容器12均连接到比较器13的两个输入端；比较器13的输出端连接到驱动电路14；驱动电路14与开关装置2相连。
进一步的，斜率自适应锯齿波产生电路输出的周期斜坡信号与PI补偿器7输出的控制信号通过比较器13进行比较产生控制脉冲，该控制脉冲通过驱动电路14控制功率开关管的导通与关断，从而调节前级变换器的输出电压。
本发明的有益效果：
1、由压控电流源为电容充电并由固定周期信号控制的开关管放电，即可产生斜率跟随前级变换器输出电压自适应变化的锯齿波，将产生的锯齿波和PI补偿器输出的控制信号通过比较器进行比较，比较产生的控制脉冲通过驱动电路控制前级变换器的功率开关管的导通与关断，调节前级变换器的输出电压；
2、为了能够根据前级变换器输出电压自适应的调节锯齿波的斜率，首先将传统锯齿波产生电路中的恒流源换成压控电流源，然后采样前级变换器输出电压作为压控电流源的控制电压，当前级变换器的输出电压发生变化时锯齿波斜率自适应跟随变化，避免开关管关断时间内控制信号和锯齿波重合，除了前级变换器中存在的高频振荡行为，从而提高了前级变换器的稳定性。
附图说明
图1是本发明的消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路结构框图；
图2是本发明的消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路图；
图3(a)和3(b)分别为级联开关功率变换器中采用传统锯齿波发生器的前级变换器在参考电压Vref＝4V和Vref＝6V时的输出电压、电感电流、控制信号、锯齿波和控制脉冲的时域仿真波形图；
图4(a)和4(b)分别为本发明实施例中前级变换器在参考电压Vref＝4V和Vref＝6V时的输出电压、电感电流、控制信号、锯齿波和控制脉冲的时域仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
由于本发明是对级联开关功率变换器中前级变换器控制电路的锯齿波产生电路进行改进，故给出了前级变换器功率电路和控制电路的详细结构，省略了后级开关变换器的详细结构。
如图1所示，本发明提出一种消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路，包括：前级变换器和后继变换器5，前级变换器包括：功率电路和控制电路，功率电路与控制电路电性连接。
进一步的，功率电路包括：输入装置1、开关装置2、滤波装置3、输出装置4；连接关系：输入装置1连接到开关装置2，经过开关装置2后传输到滤波装置3，经过滤波装置3的作用后进入输出装置4。
控制电路包括：电压采样装置6、PI补偿器7、基准电压8、压控电流源9、时钟10、开关装置11、电容器12、比较器13、驱动电路14，连接关系：连接在输出装置4上的电压采样装置6和基准电压8分别连接PI补偿器7的两个输入端；电压采样装置6同时连接到压控电流源9；时钟10连接到开关装置11上；开关装置11和压控电流源9均连接到电容器12；PI补偿器7和电容器12均连接到比较器13的两个输入端；比较器13的输出端连接到驱动电路14；驱动电路14与开关装置2相连；此外，输出装置4连接到后级变换器5。
图2给出了本发明实施例的电路结构示意图，其中前级变换器和后级变换器的功率电路均采用Buck变换器；输入装置1是用于提供输入电压的装置，输入电压Vin的范围为12V～48V，可以采用锂电池、蓄电池、燃料电池等；开关装置2可以采用功率MOSFET、IGBT等，本实施例中采用功率MOSFET S1，优选型号IRF540；滤波装置3可以采用电感和电容组成的低通滤波器或单独电感或单独电容构成的滤波器，本实施例中采用电感L1和电容C1组成的低通滤波器作为滤波装置3；PI补偿器7可由运算放大器、电容Ca和电阻Ra搭建，其中，运算放大器的型号可选LT1357或LM7171，本实施例优选LT1357；基准电压8可以由辅助电源或可调稳压芯片提供，本实施例中采用可调稳压芯片，优选型号LM117；压控电流源9采用芯片LM334；时钟10由函数信号发生器提供；开关装置11可采用三极管、场效应管，本实施例采用三极管，优选型号8050；电容器12采用独石电容；比较器13采用芯片LM319；驱动电路14可以采用IR2125或IR2110等驱动芯片，本实施例优选型号IR2125。本实施例中后级变换器5的功率电路与前级变换器功率电路的结构相同，控制脉冲由函数信号发生器提供；负载电阻R由功率电阻或电子负载提供。
仿真结果分析：
在图3中，仿真电路参数为：输入电压Vin＝18V、电感L1＝L2＝30μH、电容C1＝C2＝220μF、输出电容等效串联电阻r1＝r2＝30mΩ、负载电阻R＝1.5Ω、输入电阻Rin＝2kΩ、补偿电阻Ra＝40kΩ、补偿电容Ca＝10nF、恒流源电流IDC＝2mA、充电电容CT＝10nF、锯齿波产生电路中时钟信号Clk1的频率和占空比分别为100kHz和0.01，为后级变换器提供控制脉冲的时钟信号Clk2的频率和占空比分别为100kHz和0.6。从图3(a)和3(b)可以看出，当Vref＝4V时，控制信号vcon的斜率在关断时间内始终小于锯齿波vramp的斜率，前级变换器工作在正常的稳定状态；然而，当Vref＝6V时，控制信号vcon有一段时间内与锯齿波vramp重合，导致前级变换器中出现高频振荡。
在图4中，压控电流源的控制系数g＝0.0005S，其它仿真电路参数与图3相同。从图4(a)和4(b)可以看出，当Vref＝4V时，与图3(a)类似，控制信号vcon的斜率在关断时间内始终小于锯齿波vramp的斜率，前级变换器工作在正常的稳定状态；当Vref＝6V时，锯齿波vramp的斜率跟随Vref自适应增大，控制信号vcon的斜率在关断时间内仍然始终小于锯齿波vramp的斜率，前级变换器仍能工作在正常的稳定状态。图4和图3仿真结果的对比，证明了本发明方法的可行性，即本发明可以有效消除前级变换器的高频振荡，提升了级联功率变换器的稳定性。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路，其特征在于：包括功率电路和控制电路，功率电路与控制电路电性连接。
2.根据权利要求1所述的消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路，其特征在于：功率电路包括：输入装置1、开关装置2、滤波装置3和输出装置4，输入装置1依次与开关装置2、滤波装置3和输出装置4连接。
3.根据权利要求2所述的消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路，其特征在于：控制电路包括：电压采样装置6、PI补偿器7、基准电压8、斜率自适应锯齿波产生电路、比较器13和驱动电路14，斜率自适应锯齿波产生电路包括：压控电流源9、时钟10、开关装置11、电容器12，电压采样装置6的输入和输出端分别与输出装置4和PI补偿器7连接，电压采样装置6输出端还与压控电流源9输入端连接，基准电压8输出端与PI补偿器7的输入端连接；时钟10连接到开关装置11上；开关装置11和压控电流源9均连接到电容器12；PI补偿器7和电容器12均连接到比较器13的两个输入端；比较器13的输出端连接到驱动电路14；驱动电路14与开关装置2相连。
4.根据权利要求3所述的消除级联开关功率变换器中高频振荡的电路，其特征在于：斜率自适应锯齿波产生电路输出的周期斜坡信号与PI补偿器7输出的控制信号通过比较器13进行比较产生控制脉冲，控制脉冲通过驱动电路14控制功率开关管的导通与关断，从而调节前级变换器的输出电压。
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