專(zhuān)利名稱(chēng)：脈沖跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻波動(dòng)抑制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低頻波動(dòng)抑制系統(tǒng)及其抑制方法，特別涉及一種連續(xù)導(dǎo)電模式跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻抑制方法。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源。由于開(kāi)關(guān)電源相對(duì)于傳統(tǒng)線(xiàn)性穩(wěn)壓電源具有效率高、體積小等方面的優(yōu)勢(shì)，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)逐漸成為人們應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。電力電子器件的飛速發(fā)展更是給開(kāi)關(guān)電源提供了一個(gè)很大的發(fā)展空間，使其朝著體積小、重量輕、效率高、功率密度大等方向發(fā)展，引起業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，應(yīng)用前景廣闊。開(kāi)關(guān)電源主要由功率變換器和控制器兩部分構(gòu)成。功率變換器又稱(chēng)為功率電路，主要包括開(kāi)關(guān)裝置、變壓器裝置和整流濾波電路。常見(jiàn)的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Buck變換器(降壓變換器)、Boost變換器(升壓變換器)、Buck-Boost變換器(升降壓變換器)、正激變換器、反激變換器等?？刂破髂軌驒z測(cè)功率變換電路輸入或輸出電壓的變化，并據(jù)此產(chǎn)生相應(yīng)開(kāi)關(guān)信號(hào)控制功率變換電路開(kāi)關(guān)裝置的工作狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)傳遞給負(fù)載的能量以穩(wěn)定開(kāi)關(guān)電源輸出?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)和工作原理由開(kāi)關(guān)電源所采用的控制方法決定。對(duì)于同一功率電路拓?fù)洌捎貌煌目刂品椒〞?huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度及動(dòng)態(tài)性能等方面產(chǎn)生影響，因而控制方法的研究顯得日益重要。目前，很多應(yīng)用場(chǎng)合需要開(kāi)關(guān)電源具有很好的瞬態(tài)響應(yīng)速度，而采用傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)已很難滿(mǎn)足這一要求；這就迫切的需要新的控制方法的出現(xiàn)。而脈沖跨周期調(diào)制具有輕載效率高的優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于待機(jī)工作模式。脈沖跨周期調(diào)制是一種 變頻、非線(xiàn)性調(diào)制方法。其工作原理為:每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，時(shí)鐘給出脈沖信號(hào)，控制器米樣輸出電壓，當(dāng)輸出電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，控制器不產(chǎn)生導(dǎo)通信號(hào)，即跨過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，開(kāi)關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)，使輸出電壓下降；反之，當(dāng)輸出電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，控制器產(chǎn)生控制脈沖作為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸出電壓上升。豐富的PSM技術(shù)比較簡(jiǎn)單，而且易實(shí)現(xiàn)。在負(fù)載較輕情況下效率高，工作頻率高，頻率特性好，功率管開(kāi)關(guān)次數(shù)少，適用于小功率電源管理1C。因此，PSM技術(shù)比較限制運(yùn)用于電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式的情況。此外，目前使用的跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換裝置還存在如下不足:連續(xù)導(dǎo)電模式跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換裝置的輸出電壓紋波較大，并且該裝置存在低頻波動(dòng)現(xiàn)象，而且該裝置并不能有效抑制這個(gè)問(wèn)題，而導(dǎo)致得不到工程應(yīng)用。因而在很大程度上限制了控制電路的集成與推廣。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中連續(xù)導(dǎo)電模式跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換裝置存在的上述不足，本發(fā)明提供一種連續(xù)導(dǎo)電模式跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻波動(dòng)抑制裝置及方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)電感電流注入式的方法，解決電路中紋波低頻現(xiàn)象；本發(fā)明的另一個(gè)目的是抑制連續(xù)導(dǎo)電模式跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器的低頻波動(dòng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是:
脈沖跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻波動(dòng)抑制裝置，包括控制電路和功率電路；其特征在于:所述控制電路包括電壓檢測(cè)裝置、基準(zhǔn)電壓、比較器、D觸發(fā)器、與門(mén)和驅(qū)動(dòng)電路，電壓檢測(cè)裝置和基準(zhǔn)電壓都連接到比較器，比較器連接到D觸發(fā)器，再經(jīng)過(guò)與門(mén)，最后連接到驅(qū)動(dòng)電路；所述功率電路包括輸入、開(kāi)關(guān)裝置、濾波裝置、輸出和RC積分裝置，輸入連接到開(kāi)關(guān)裝置，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)裝置后連接到濾波裝置和RC積分裝置，經(jīng)過(guò)濾波裝置和RC積分裝置的作用后進(jìn)入輸出；所述控制電路的驅(qū)動(dòng)電路連接到功率電路的開(kāi)關(guān)裝置。上述脈沖跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻波動(dòng)抑制裝置的抑制方法，具體步驟為:
(1)以時(shí)鐘脈沖為基本信號(hào)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始的時(shí)刻，輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較，給后級(jí)D觸發(fā)器提供控制信號(hào)；
(2)當(dāng)輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出低電平，然后經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器的同步和整形，使得時(shí)鐘脈沖的上升沿將對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)跨過(guò)，即控制電路不發(fā)出控制脈沖，屏蔽電源能量的輸入；
(3)當(dāng)輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出高電平，然后經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器的同步和整形，使得時(shí)鐘脈沖的上升沿將對(duì)應(yīng)的控制脈沖輸出，即控制電路發(fā)出控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)管在本周期內(nèi)導(dǎo)通。進(jìn)一步，所述濾波裝置包括電感和電容，開(kāi)關(guān)裝置導(dǎo)通時(shí)，輸入對(duì)電感充電，同時(shí)RC積分裝置對(duì)電感電流進(jìn)行整流同時(shí)將電感電流的信息反饋到輸出。進(jìn)一步，當(dāng)每個(gè)時(shí)鐘的上升時(shí)刻來(lái)臨時(shí)，D觸發(fā)器和與門(mén)根據(jù)控制信號(hào)給出相應(yīng)的控制信號(hào)。本發(fā)明的有益效果是:
1、與傳統(tǒng)的脈沖跨周期調(diào)制技術(shù)相比，采用本發(fā)明的開(kāi)關(guān)電源在負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，控制器能快速做出響應(yīng)，使開(kāi)關(guān)電源迅速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)；
2、注入電流式電路最主要的特點(diǎn)是能夠跨周期調(diào)制(PSM)CCMBUCK變換器低頻波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行抑制，使得電感電流與輸出電壓的紋波保持同步。


圖1是本發(fā)明的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)框 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的普通電路結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的注入電流法電路結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的普通電路的輸出電壓紋波示意 圖5是本發(fā)明實(shí)施例的注入電流法電路的輸出電壓紋波示意 圖6是本發(fā)明實(shí)施例的普通電路的時(shí)域仿真波形 圖7是本發(fā)明實(shí)施例的注入電流法電路的時(shí)域仿真波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的目的之一是通過(guò)電感電流注入式的方法，解決電路中紋波低頻現(xiàn)象。所采取的技術(shù)方案是:根據(jù)電感、電阻和電容三者之間的關(guān)系，對(duì)輸出電壓的紋波和電感電流兩者之間的相位進(jìn)行調(diào)整，盡量使兩者保持一致。所采用的具體技術(shù)方案為:當(dāng)開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)，輸入電源將同時(shí)通過(guò)電感和與其并聯(lián)的Ra和Ca，從而開(kāi)關(guān)變換器的電感電流進(jìn)行整形并提取電感電流的信號(hào)量。同時(shí)，電感電流的交流分量將通過(guò)耦合電容耦合到輸出采樣信號(hào)中。通過(guò)這種方法，可以使輸出電壓的紋波能夠跟隨電感電流的變化，使得兩者幾乎可以保持冋步的關(guān)系。本發(fā)明的另一個(gè)目的是抑制連續(xù)導(dǎo)電模式跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器的低頻波動(dòng)的裝置。在同一發(fā)明構(gòu)思下對(duì)應(yīng)于抑制連續(xù)導(dǎo)電模式跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器的低頻波動(dòng)的裝置。該注入電流式電路裝置由輸入、開(kāi)關(guān)裝置、濾波裝置、輸出及RC積分裝置組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)裝置打開(kāi)時(shí)，輸入經(jīng)過(guò)濾波裝置整形，同時(shí)對(duì)電感進(jìn)行充電。同時(shí)RC積分裝置對(duì)濾波裝置中的電感電流進(jìn)行整形采樣并反饋到輸出。使得濾波裝置中的電感電流與輸出中輸出電壓的紋波保持同步一致。圖1中，虛線(xiàn)框外為控制電路，包括:電壓檢測(cè)裝置、基準(zhǔn)電壓、比較器8、D觸發(fā)器、與門(mén)和驅(qū)動(dòng)電路。連接關(guān)系為:電壓檢測(cè)裝置和基準(zhǔn)電壓都連接到比較器，后傳輸?shù)紻觸發(fā)器，再經(jīng)過(guò)與門(mén)，最后連接到驅(qū)動(dòng)電路。虛線(xiàn)框內(nèi)為功率電路，包括輸入、開(kāi)關(guān)裝置、濾波裝置、輸出和RC積分裝置。連接關(guān)系:輸入連接到開(kāi)關(guān)裝置，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)裝置后傳輸?shù)綖V波裝置和RC積分，經(jīng)過(guò)濾波裝置的作用后進(jìn)入輸出。對(duì)比圖2、圖3和圖1，各器件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系分別為:輸入電壓E對(duì)應(yīng)輸入，開(kāi)關(guān)管(MOSFET) S和二極管D對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)裝置，電感L、電容C對(duì)應(yīng)濾波裝置，RC積分電路對(duì)應(yīng)RC積分裝置負(fù)載R對(duì)應(yīng)輸出，基準(zhǔn)電壓Vref對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)電壓，比較器對(duì)應(yīng)比較器，D觸發(fā)器對(duì)應(yīng)D觸發(fā)器，與門(mén)對(duì)應(yīng)與門(mén)，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路。圖2、圖3中具體的連接情況為:輸入電壓E的正極與開(kāi)關(guān)管(MOSFET)S的漏極相接，負(fù)極與二極管D的陽(yáng)極、電容C的一端和負(fù)載R的一端(輸出負(fù)極)相接；開(kāi)關(guān)管(MOSFET)S的源極與二極管D的陰極和電感L的一端相接，電感L的另一端與電容C的一端和負(fù)載R的一端(輸出正極)相接。RC積分電路的一端與開(kāi)關(guān)管(MOSFET)S的源極相接，另一端與輸出端相接；輸出端與比較器的負(fù)端相連，比較器的正端連接基準(zhǔn)電壓，比較器的輸出端與D觸發(fā)器的輸入端相連,輸出端與與門(mén)的輸入端相連,與門(mén)的另一輸入端與時(shí)鐘脈沖相連，最后，與門(mén)的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與開(kāi)關(guān)管(MOSFET)S的控制柵極相連?？刂品椒ǖ膶?shí)現(xiàn)如下:
步驟1:開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通，電源E對(duì)電感L充電同時(shí)RC積分電路對(duì)電感電流進(jìn)行整流同時(shí)將電感電流的信息反饋到輸出。步驟2:輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，給后級(jí)D觸發(fā)器提供控制信號(hào)。步驟3:當(dāng)每個(gè)時(shí)鐘的上升時(shí)刻來(lái)臨時(shí)，D觸發(fā)器和與門(mén)根據(jù)控制信號(hào)給出相應(yīng)的控制信號(hào)。圖4至圖7示出了連續(xù)導(dǎo)電模式跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻波動(dòng)抑制技術(shù)在Buck變換器中的應(yīng)用。具體的工作過(guò)程與原理為:以時(shí)鐘脈沖為基本信號(hào)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始的時(shí)亥1J，輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較，輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓，比較器將輸出低電平，然后經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器的同步和整形，使得時(shí)鐘脈沖的上升沿將對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)跨過(guò)，即控制電路不發(fā)出控制脈沖，屏蔽電源能量的輸入，從而降低輸出電壓；當(dāng)輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓，比較器將輸出高電平，然后經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器的同步和整形，使得時(shí)鐘脈沖的上升沿將對(duì)應(yīng)的控制脈沖輸出，即控制電路發(fā)出控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)管在本周期內(nèi)導(dǎo)通，從而提高輸出電壓。仿真結(jié)果分析:
圖6中:上部為變換器電感電流時(shí)域仿真波形；中部為變換器輸出電壓時(shí)域仿真波形；下部為控制器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)域仿真波形。圖7中:上部為注入電流法電路電感電流時(shí)域仿真波形；中部為注入電流法電路輸出電壓時(shí)域仿真波形；下部為控制器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)域仿真波形。圖4、圖5、圖6、圖7均為采用PSIM軟件對(duì)本發(fā)明的控制方法進(jìn)行時(shí)域仿真的結(jié)果。圖4和圖5中的橫軸均為時(shí)間ms,縱軸為輸出電壓V。圖6、圖7中的橫軸均為時(shí)間ms,上部的縱軸為電感電流A，中部縱軸為輸出電壓V，下部的縱軸為驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值圖4和圖5可知，兩者變換器的輸出電壓比較。很明顯，注入電流式的輸出電壓紋波比較小。圖6中仿真條件-.E = 15 V, V0= 5 V, Vref =2.5 V，/ = 20 kHz,Z =200 m, C = 470 MF，R = 2Q。當(dāng)Resr 二 5 mQ時(shí)，PSM控制連續(xù)導(dǎo)電模式Buck變換器存在紋波低頻現(xiàn)象。由圖可知，當(dāng) t =16.70 ms 時(shí)，=4.435 V ；
當(dāng)t =16.74 ms時(shí)，K =4.361 V?？梢?jiàn)，PSM控制CCM Buck變換器的輸出電壓得不到及時(shí)
調(diào)整，而產(chǎn)生紋波低頻現(xiàn)象。為了使輸出電壓的紋波與電感電流保持同步，RC積分電路的時(shí)間常數(shù)必須滿(mǎn)足『》Max[tm，toff]。所以，圖7中的仿真條件-.Vref= 2.5 N,R= 300 kQ,C= 33 nY,Cb= 100 nF。由圖可知，當(dāng)/ ■= 5 mQ時(shí)，輸出采樣電壓的紋波能夠跟隨電感電流厶的變化，讓兩者能夠保持同步變化。本發(fā)明除了可用 于控制上述實(shí)施例中的功率變換器外，也可用于Boost變換器、Buck-boost變換器、正激變換器等功率電路組成的開(kāi)關(guān)電源。
權(quán)利要求
1.脈沖跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻波動(dòng)抑制裝置，包括控制電路和功率電路；其特征在于:所述控制電路包括電壓檢測(cè)裝置、基準(zhǔn)電壓、比較器、D觸發(fā)器、與門(mén)和驅(qū)動(dòng)電路，電壓檢測(cè)裝置和基準(zhǔn)電壓都連接到比較器，比較器連接到D觸發(fā)器，再經(jīng)過(guò)與門(mén)，最后連接到驅(qū)動(dòng)電路；所述功率電路包括輸入、開(kāi)關(guān)裝置、濾波裝置、輸出和RC積分裝置，輸入連接到開(kāi)關(guān)裝置，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)裝置后連接到濾波裝置和RC積分裝置，經(jīng)過(guò)濾波裝置和RC積分裝置的作用后進(jìn)入輸出；所述控制電路的驅(qū)動(dòng)電路連接到功率電路的開(kāi)關(guān)裝置。
2.權(quán)利要求1中脈沖跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻波動(dòng)抑制裝置的抑制方法，具體步驟為: (1)以時(shí)鐘脈沖為基本信號(hào)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始的時(shí)刻，輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較，給后級(jí)D觸發(fā)器提供控制信號(hào)； (2)當(dāng)輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出低電平，然后經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器的同步和整形，使得時(shí)鐘脈沖的上升沿將對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)跨過(guò)，即控制電路不發(fā)出控制脈沖，屏蔽電源能量的輸入； (3)當(dāng)輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出高電平，然后經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器的同步和整形，使得時(shí)鐘脈沖的上升沿將對(duì)應(yīng)的控制脈沖輸出，即控制電路發(fā)出控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)管在本周期內(nèi)導(dǎo)通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻波動(dòng)抑制方法，其特征在于:所述濾波裝置包括電感和電容，開(kāi)關(guān)裝置導(dǎo)通時(shí)，輸入對(duì)電感充電，同時(shí)RC積分裝置對(duì)電感電流進(jìn)行整流同時(shí)將電感電流的信息反饋到輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻波動(dòng)抑制方法，其特征在于:當(dāng)每個(gè)時(shí)鐘的上升時(shí)刻來(lái)臨時(shí)，D觸發(fā)器和與門(mén)根據(jù)控制信號(hào)給出相應(yīng)的控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種脈沖跨周期調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器低頻波動(dòng)抑制裝置，包括控制電路和功率電路；控制電路包括電壓檢測(cè)裝置、基準(zhǔn)電壓、比較器、D觸發(fā)器、與門(mén)和驅(qū)動(dòng)電路，電壓檢測(cè)裝置和基準(zhǔn)電壓連接比較器，比較器連接D觸發(fā)器，經(jīng)與門(mén)，連接驅(qū)動(dòng)電路；功率電路包括輸入、開(kāi)關(guān)裝置、濾波裝置、輸出和RC積分裝置，輸入連接開(kāi)關(guān)裝置，經(jīng)開(kāi)關(guān)裝置連接濾波裝置和RC積分裝置，經(jīng)濾波裝置和RC積分裝置進(jìn)入輸出；驅(qū)動(dòng)電路連接功率電路的開(kāi)關(guān)裝置。本發(fā)明的方法使開(kāi)關(guān)電源在負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，控制器能快速響應(yīng)，使開(kāi)關(guān)電源迅速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)；并且它的輸出電壓的紋波小，能跨周期調(diào)制，使變換器低頻波動(dòng)現(xiàn)象得到抑制，使電感電流與輸出電壓的紋波同步。
文檔編號(hào)H02M3/155GK103178712SQ20131009592
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者包伯成, 馮霏, 徐權(quán), 王國(guó)云, 董偉 申請(qǐng)人:常州大學(xué)