CN117155124A - 一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法及系统，所述方法通过在每个开关周期保持可复位积分器的输出值与电压参考信号相等来实现控制，包括：设定电压参考信号和触发信号；对开关管电流进行采样，获得电流采样信号；将电流采样信号输入可复位积分器，获得积分值；将积分值和电压参考信号输入比较器，获得输出结果；根据输出结果控制SR触发器的输出信号，使输出信号在一个周期内交替变化，以控制开关管在一个周期内的导通和关断。本发明通过控制开关管电流间接控制变换器的输出电压，并经积分器作用使开关管电流在一个开关周期内的平均值等于电压参考信号，避免了积分器的复位而出现误导通问题，保证了变换器输出电压的稳定性。

Description

一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法及系统

技术领域

本发明主要涉及变换器控制技术领域，具体涉及一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法及系统。

背景技术

高增益变换器是一种将直流电能变换成负载所需的电压或电流可控的直流电能的电力电子装置。它通过对电力电子器件的快速通、断控制而把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，通过控制占空比的变化来改变这一脉冲系列的脉冲宽度，以实现输出电压平均值的调节，再经输出滤波器滤波，在被控负载上得到电流或电压可控的直流电能。变换器的传统单周期控制策略时是利用二极管电压与参考电压做差后，将该误差进行积分与0电压作比较，误差等于零电压时产生关断信号，等下一个时钟信号出现时对积分器进行复位，并使开关管导通。

然而，在传统的单周期控制方法中，由于积分器在每个周期都需要复位为0，此时积分器输出为0电压，就容易使比较器产生错误的关断信号，从而影响控制效果和反应时效。

因此，如何设计一种动态响应快、控制效果好的变换器单周期控制方法，是待解决的技术问题。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术的问题，提供一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法及系统。

第一方面，本申请实施例提供了一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法，通过在每个开关周期保持可复位积分器的输出值与电压参考信号相等来实现变换器的控制，所述控制方法包括如下步骤：

设定电压参考信号和触发信号；

通过电流采集器对开关管电流进行采样，获得电流采样信号；

将所述电流采样信号输入可复位积分器，获得开关管电流的积分值；

将所述积分值和电压参考信号分别输入比较器的两个输入端进行比较，获得输出结果；

根据所述输出结果控制SR触发器的输出信号，使得触发器的输出信号在一个开关周期内交替变化，以控制所述开关管在一个开关周期内的导通和关断。

优选地，将所述积分值和电压参考信号分别输入比较器的两个输入端进行比较，获得输出结果，包括：

当所述积分值小于所述电压参考信号时，所述输出结果为低电平；

当所述积分值等于所述电压参考信号时，所述输出结果为高电平。

优选地，根据所述输出结果控制SR触发器的输出信号，使得触发器的输出信号在一个开关周期内交替变化，以控制所述开关管在一个开关周期内的导通和关断，包括：

在一个开关周期开始时，所述开关管导通，所述积分值随着时间从0开始增加，当所述积分值达到所述电压参考信号时，所述输出结果为高电平；SR触发器的R端使得SR触发器Q端的输出信号由高电平变为低电平，所述开关管关断；保持开关管关断直到下一个开关周期开始。

第二方面，本申请实施例提供了一种高阶变换器的开关电流型单周期控制系统，其特征在于，包括功率电路和控制电路；

所述功率电路包括直流电源V_s、开关管S、电阻R、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、输出二极管D_o、第一电感L₁、第二电感L₂和滤波电容C；

所述控制电路包括电流采集器、可复位积分器、比较器、SR触发器和时钟信号发生器；

其中，直流电源V_s的正极端分别与第一电感L₁的第一端以及第三二极管D₃的正极端电连接，直流电源V_s的负极端分别与电流采集器的第二端、滤波电容C的第二端和电阻R的第二端电连接；

第二二极管D₂的正极端分别与第一电感L₁的第二端及第一二极管D₁的正极端电连接，第二二极管D₂的负极端分别与第三二极管D₃的负极端及第二电感L₂的第一端电连接；第一电感L₁的第二端与第一二极管D₁的正极端电连接；第三二极管D₃的负极端与第二电感L₂的第一端电连接；输出二极管D_o的正极端分别与第一二极管D₁的负极端、第二电感L₂的第二端和开关管S的第一端电连接；输出二极管D_o的负极端分别与滤波电容C的第一端和电阻R的第一端电连接；

所述电流采集器A的第一端与开关管S的第二端电连接，电流采集器的第三端与可复位积分器的第一端电连接，可复位积分器的第二端与比较器的正极输入端连接，SR触发器的Q端分别与开关管S的第三端和可复位积分器的第三端电连接，SR触发器的R端与比较器的输出端电连接，时钟信号发生器的输出端与SR触发器的S端电连接；比较器的负极输入端输入电压参考信号。

与现有技术相比，本发明提出的一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法及系统，具有以下优点：通过控制开关管的电流间接地控制高阶变换器的输出电压，并经过积分器的作用使开关管电流在一个开关周期内的平均值等于预设的电压参考信号，避免了传统单周期控制方法中由于积分器的复位而产生的误导通问题，从而保证了高阶变换器输出电压的稳定性。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1为本申请实施例提供的一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种高阶变换器的开关电流型单周期控制系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种高阶变换器的开关电流型单周期控制系统的开关管导通时的电路示意图；

图4为本申请实施例提供的一种高阶变换器的开关电流型单周期控制系统的开关管关断时的电路示意图；

图5为本申请实施例提供的一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法的工作波形图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

基于此，本申请实施例提供一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法，下面结合附图进行说明。

参照图1，本申请实施例公开的一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法，包括如下步骤：

S101：设定电压参考信号和触发信号；

具体地，设定电压参考信号为，触发信号为PWM时钟信号。

S102：通过电流采集器对开关管电流进行采样，获得电流采样信号；

具体地，通过电流采集器采集开关管的电流并采样，将电流采样信号作为积分值的输入信号。

S103：将电流采样信号输入可复位积分器，获得开关管电流的积分值；

具体地，将电流信号输出积分值，以获得表征开关管电流的积分值，从而实现对开关管的周期控制。

S104：将积分值和电压参考信号分别输入比较器的两个输入端进行比较，获得输出结果；

具体地，输出结果包括以下两种情况：

S1041：当积分值小于所述电压参考信号时，输出结果为低电平；

S1042：当积分值等于所述电压参考信号时，输出结果为高电平。

S105：根据输出结果控制SR触发器的输出信号，使得触发器的输出信号在一个开关周期内交替变化，以控制开关管在一个开关周期内的导通和关断。

具体地，当积分器的输出结果确定之后，根据输出结果控制SR触发器的输出信号，使得触发器的输出信号在一个开关周期内交替变化，以控制所述开关管在一个开关周期内的导通和关断，具体包括：

在一个开关周期开始时，开关管导通，积分值随着时间从0开始增加，当积分值达到所述电压参考信号时，所述输出结果为高电平；此时，SR触发器的R端使得SR触发器Q端的输出信号由高电平变为低电平，使得开关管关断，保持开关管关断直到下一个开关周期开始。

本申请实施例公开的一种高阶变换器的开关电流型单周期控制方法，具有以下优点：通过控制开关管的电流间接地控制高阶变换器的输出电压，并经过积分器的作用使开关管电流在一个开关周期内的平均值等于预设的电压参考信号，避免了传统单周期控制方法中由于积分器的复位而产生的误导通问题，从而保证了高阶变换器输出电压的稳定性。

参照图2，本申请实施例公开的一种高阶变换器的开关电流型单周期控制系统，开关电流型单周期控制系统具体包括功率电路和控制电路，功率电路和控制电路的具体结构将在下文展开描述。

具体地，功率电路包括直流电源V_s、开关管S、电阻R、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、输出二极管D_o、第一电感L₁、第二电感L₂和滤波电容C。

其中，功率电路包括直流电源V_s、开关管S、电阻R、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、输出二极管D_o、第一电感L₁、第二电感L₂和滤波电容C；

其中，控制电路包括电流采集器A、可复位积分器、比较器、SR触发器和时钟信号发生器；

其中，直流电源V_s的正极端分别与第一电感L₁的第一端以及第三二极管D₃的正极端电连接，直流电源V_s的负极端分别与电流采集器的第二端、滤波电容C的第二端和电阻R的第二端电连接；

具体地，第二二极管D₂的正极端分别与第一电感L₁的第二端及第一二极管D₁的正极端电连接，第二二极管D₂的负极端分别与第三二极管D₃的负极端及第二电感L₂的第一端电连接；第一电感L₁的第二端与第一二极管D₁的正极端电连接；第三二极管D₃的负极端与第二电感L₂的第一端电连接；输出二极管D_o的正极端分别与第一二极管D₁的负极端、第二电感L₂的第二端和开关管S的第一端电连接；输出二极管D_o的负极端分别与滤波电容C的第一端和电阻R的第一端电连接。

具体地，电流采集器A的第一端与开关管S的第二端电连接，电流采集器的第三端与可复位积分器的第一端电连接，可复位积分器的第二端与比较器的正极输入端连接，SR触发器的Q端分别与开关管S的第三端和可复位积分器的第三端电连接，SR触发器的R端与比较器的输出端电连接，时钟信号发生器的输出端与SR触发器的S端电连接；比较器的负极输入端输入电压参考信号。

其中，时钟信号发生器输出PWM电平波形，在图中仅用PWM波形示出，并未示出具体结构。

具体地，当可复位积分器的输出结果确定之后，根据输出结果控制SR触发器的输出信号，使得触发器的输出信号在一个开关周期内交替变化，以控制所述开关管在一个开关周期内的导通和关断，具体包括如下过程：

在一个开关周期开始时，开关管导通，此时电路图如图3所示，同时开关管流过的电流等于两个电感的电流之和，积分值随着时间从0开始增加，当积分值达到所述电压参考信号时，所述输出结果为高电平；此时，SR触发器的R端使得SR触发器Q端的输出信号由高电平变为低电平，使得开关管关断，电路图如图4所示，此时流过开关管的电流为0，保持开关管关断直到下一个开关周期开始。

具体地，开关管在一个周期内流过的电流平均值可以下公式来表示：

；

其中，、/>分别为第一电感L₁和第二电感L₂在一个开关周期内的平均值，/>为开关管电流，/>为一个开关周期的时间，t为时间变量，/>、/>分别为流过第一电感L₁、第二电感L₂的电流。

根据上述公开可以得到开关管在一个开关周期内的积分值为：

；

根据上述结果，在一个开关周期开始时，开关管导通，积分值从0开始增加直至满足公式时，此时开关管关断；在开关管关断期间，积分值一直满足：/>，直至下一个周期的时钟信号将积分值复位，开关管再次导通，开始下一个开关周期。图5示出了在一个开关周期内，开关管电流/>、开关管电流积分值以及SR触发器输出端的PWM电平波形的工作波形图。

需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

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，上述描述的系统、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。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，又例如，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通信接口，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。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.一种高阶变换器的开关电流型单周期控制系统的控制方法，其特征在于，通过在每个开关周期保持可复位积分器的输出值与电压参考信号相等来实现变换器的控制，所述控制方法包括如下步骤：

设定电压参考信号和触发信号；

通过电流采集器对开关管电流进行采样，获得电流采样信号；

将所述电流采样信号输入可复位积分器，获得开关管电流的积分值；

将所述积分值和电压参考信号分别输入比较器的两个输入端进行比较，获得输出结果；

根据所述输出结果控制SR触发器的输出信号，使得触发器的输出信号在一个开关周期内交替变化，以控制所述开关管在一个开关周期内的导通和关断。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述积分值和电压参考信号分别输入比较器的两个输入端进行比较，获得输出结果，包括：

当所述积分值小于所述电压参考信号时，所述输出结果为低电平；

当所述积分值等于所述电压参考信号时，所述输出结果为高电平。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述输出结果控制SR触发器的输出信号，使得触发器的输出信号在一个开关周期内交替变化，以控制所述开关管在一个开关周期内的导通和关断，包括：

在一个开关周期开始时，所述开关管导通，所述积分值随着时间从0开始增加，当所述积分值达到所述电压参考信号时，所述输出结果为高电平；SR触发器的R端使得SR触发器Q端的输出信号由高电平变为低电平，所述开关管关断；保持开关管关断直到下一个开关周期开始。

4.一种高阶变换器的开关电流型单周期控制系统，其特征在于，包括功率电路和控制电路；

所述功率电路包括直流电源V_s、开关管S、电阻R、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、输出二极管D_o、第一电感L₁、第二电感L₂和滤波电容C；

所述控制电路包括电流采集器、可复位积分器、比较器、SR触发器和时钟信号发生器；

其中，直流电源V_s的正极端分别与第一电感L₁的第一端以及第三二极管D₃的正极端电连接，直流电源V_s的负极端分别与电流采集器的第二端、滤波电容C的第二端和电阻R的第二端电连接；

第二二极管D₂的正极端分别与第一电感L₁的第二端及第一二极管D₁的正极端电连接，第二二极管D₂的负极端分别与第三二极管D₃的负极端及第二电感L₂的第一端电连接；第一电感L₁的第二端与第一二极管D₁的正极端电连接；第三二极管D₃的负极端与第二电感L₂的第一端电连接；输出二极管D_o的正极端分别与第一二极管D₁的负极端、第二电感L₂的第二端和开关管S的第一端电连接；输出二极管D_o的负极端分别与滤波电容C的第一端和电阻R的第一端电连接；

所述电流采集器A的第一端与开关管S的第二端电连接，电流采集器的第三端与可复位积分器的第一端电连接，可复位积分器的第二端与比较器的正极输入端连接，SR触发器的Q端分别与开关管S的第三端和可复位积分器的第三端电连接，SR触发器的R端与比较器的输出端电连接，时钟信号发生器的输出端与SR触发器的S端电连接；比较器的负极输入端输入电压参考信号。