适用于模拟控制系统下变换器软启动控制电路和控制方法技术方案

本发明专利技术公开了适用于模拟控制系统下变换器软启动控制电路和控制方法，同步整流Buck变换器是一种常见的双向DC‑DC变换电路拓扑，它可以实现能量的双向流动。在电池充放电场合，使用传统的占空比缓慢展开的软启动方案或者当启动完成后电感电流在额定稳态工作在轻载断续模式时，会带来较大的启动电流尖峰。本发明专利技术通过利用变换器现有的闭环PID调节器，使占空比在启动前闭环预置在给定占空比处。启动瞬间以预置的占空比闭环启动，避免了大的电流冲击，同时可以实现启动过程快速的动态响应，以加速启动过程。本发明专利技术可以显著降低启动时的电流冲击，还可以兼容适用于电池负载、电压源型负载、电阻性负载和变换器的多重化切相启动控制的应用场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及适用于模拟控制系统下变换器软启动控制电路和控制方法，属于电力电子变换器

技术介绍
应用于电池充放电场合的同步整流双向Buck变换器是一种常见的拓扑，是在传统Buck变换器的基础上，将整流二极管换成同步整流管，可以降低二极管压降带来的损耗，还同时可以实现能量的双向流动。变换器输出端为电池型负载，相比于传统的阻性负载，具有如下特征和区别：1.在变换器启动时，电阻型负载的输出端电压为零，而电池型负载端已有电池电压作为支撑，输出电压并非为零；2.在同步整流的双向Buck变换器中，变换器的能量具有双向流动性，电阻负载为耗散性负载，而电池负载为储能性负载，电池负载可作为电源向输入侧回馈能量。因此，对比上述特征，基于电池负载下的同步整流Buck变换器的软启动相比阻性负载具有较大区别。另一方面，功率变换器的电源管理方案通常可选择数字控制系统和模拟控制器件和系统两种方式。相对于基于数字控制芯片的可灵活地实现控制算法和软启动方法，模拟控制器件、控制芯片可实现的控制方法受器件本身的特性局限，但是作为性价比较高的控制器在各种电源管理场合仍然应用广泛。在基于数字控制系统的应用场合，模拟控制器件仍然是系统中无法缺少的部分。目前基于模拟控制器件的同步整流双向Buck变换器的软启动方案主要有以下几种：(1)主开关管驱动占空比从零开始逐渐变大至稳态值，同步整流管的驱动为主管的互补；该方法为电阻型的负载下常用的软启动方案，当应用在电池型负载下，辅助开关管在启动时具有较大占空比，电池侧的能量会通过同步整流管使电感迅速反向饱和，反向电流冲击很大会烧毁开关器件。(2)主开关管驱动占空比从零开始逐渐变大至稳态值，同步整流管的驱动暂时封闭，延迟后互补输出；该方法可以应用在电池型负载或电阻性负载下，解决了启动时辅助管反向冲击电流较大的问题。但是该方法应用在电池型负载下的有效性具有一定的条件。当负载较轻时，电感电流进入断续模式，输入输出不再满足Vin＝D·Vo的关系，其中D为主管占空比，Vin为输入源侧电压，Vo为电池侧电压。当同步整流管延迟后驱动互补输出的主开关管占空比很小时，会出现和方法(1)中相同的情况。因此该方法不适宜在负载较小下进行启动。此外，整个启动过程需要增加定时延迟，降低了系统启动时的动态响应性能。(3)主开关管驱动占空比从零开始逐渐变大至稳态值，同步整流管的驱动也从零开始逐渐变大至稳态时与主管互补；该方法可以适用于电池型负载和电阻性负载。由于辅助管也采用了互补后再从零展开的驱动形式，同步整流管的占空比可以从零开始，方法(2)中所述的断续模式下可能的电流冲击可以被抑制。但是该方法需要的启动时间较长，实现中需要采用延迟电路，同样降低了系统启动时的动态响应性能。启动冲击电流的大小与控制环路的带宽也有一定关系。在另外的一些典型应用中，变换器软启动也起到了重要的作用。例如在多重化的Buck变换器应用中，通常为了提高轻载的效率，可采用相位数动态控制。在变换器重载时，将所有相投入工作；在变换器负载变轻时，将部分相屏蔽不工作。这将减小变换器轻载时的开关损耗，提高整机的效率。当变换器负载变重时，新投入运行的一相或若干相需要对其进行软启动控制。新投入相在并入原有已工作相并联工作时，存在与电池负载条件下的相同问题。由于变换器两侧已建立电压，新投入相需要在并入时抑制并联瞬间的启动电流尖峰。而且由于负载的变化是实时的，因此希望新投入相在软启动时动态响应能够足够快，避免负载变重对原有工作相的瞬时功率过大带来的压力。因此，在这些应用背景下，快速动态响应、低启动冲击电流的变换器软启动方案的意义变得十分重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供适用于模拟控制系统下变换器软启动控制电路和控制方法，降低了电池型负载下的电流启动冲击。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：适用于模拟控制系统下变换器软启动控制电路，包括占空比基准产生电路、模拟选通开关、PID误差补偿网络、占空比产生器、占空比低通滤波器、第一与门、第二与门、反相器，其中，模拟选通开关包括第一至第二模拟开关，每个模拟开关有两个输入端、一个输出端，占空比产生器包括比较器、三角波振荡器；第一模拟开关的输入端接基准信号，基准信号包括基准电压、占空比基准信号，第一模拟开关选通其中一个，占空比基准信号通过占空比基准产生电路产生；第二模拟开度的输入端接采样信号，采样信号包括反馈信号采样电压和占空比滤波反馈电压，第二模拟开关选通其中一个，反馈信号采样电压为变换器的采样信号；PID误差补偿网络的同相输入端为第一模拟开关的输出，反向输入端为第二模拟开关的输出；比较器的一个输入为PID误差补偿网络的输出，另一个输入为三角波振荡器产生的三角波电压信号，输出占空比信号；占空比低通滤波器的输入为占空比信号，输出为占空比滤波反馈电压；第一与门的一个输入为占空比信号，另一个输入为启停机信号；第二与门的一个输入为占空比信号的反相，另一个输入为启停机信号；第一与门的输出为变换器第一开关管的驱动信号d1；第二与门的输出为变换器第二开关管的驱动信号d2；驱动信号d1、d2经过驱动放大后驱动变换器的开关管工作。作为本专利技术控制电路的一种优选方案，所述变换器的采样信号为变换器输入侧的采样电压、变换器输出侧的采样电压、变换器中电感电流的采样电压、变换器输入侧电流采样电压、变换器输出侧电流的采样电压。作为本专利技术控制电路的一种优选方案，所述占空比基准产生电路由除法器构成，除法器的输入为变换器输入侧的电压采样v1s和变换器输出侧的采样电压v2s，除法器的增益为K，占空比基准产生电路的输出为占空比基准信号DREF，占空比基准信号DREF的表达式为DREF＝K*v2s/v1s。作为本专利技术控制电路的一种优选方案，所述占空比基准产生电路由求和运算放大器构成，求和运算放大器的输入为变换器输入侧的电压采样v1s和变换器输出侧的采样电压v2s，求和运算放大器对v1s和v2s的增益分别为K1和K2，占空比基准产生电路的输出为占空比基准信号DREF，占空比基准信号DREF的表达式为DREF＝K1*v1s+K2*v2s。作为本专利技术控制电路的一种优选方案，所述占空比基准产生电路由函数发生器构成，函数发生器的输入为变换器输入侧的电压采样v1s、变换器输出侧的采样电压v2s、变换器的电流反馈if，变换器的电压反馈vf，函数发生器的增益为K3，占空比基准产生电路的输出为占空比基准信号DREF，占空比基准信号DREF的表达式为DREF＝K3*f(V1s，V2s，if，vf)。适用于模拟控制系统下变换器软启动控制方法，启停机信号为逻辑低0时，第一模拟开关选通占空比基准信号DREF通过，第二模拟开关选通占空比滤波反馈电压dfed通过，占空比基准信号DREF和占空比滤波反馈电压dfed的误差值经PID误差补偿网络调整后输出占空比信号D，占空比信号D到达稳态后，软启动准备完毕；启停机信号为逻辑高1时，第一模拟开关选通基准电压VREF通过，第二模拟开关选通反馈信号采样电压vfed通过，基准电压VREF和反馈信号采样电压vref的误差值经PID误差补偿网络调整后输出占空比信号D，占空比信号D到达稳态时，变换器完成软启动并正常工作。本专利技术采用以上技术方案与本文档来自技高网...

【技术保护点】
适用于模拟控制系统下变换器软启动控制电路，其特征在于，包括占空比基准产生电路、模拟选通开关、PID误差补偿网络、占空比产生器、占空比低通滤波器、第一与门、第二与门、反相器，其中，模拟选通开关包括第一至第二模拟开关，每个模拟开关有两个输入端、一个输出端，占空比产生器包括比较器、三角波振荡器；第一模拟开关的输入端接基准信号，基准信号包括基准电压、占空比基准信号，第一模拟开关选通其中一个，占空比基准信号通过占空比基准产生电路产生；第二模拟开度的输入端接采样信号，采样信号包括反馈信号采样电压和占空比滤波反馈电压，第二模拟开关选通其中一个，反馈信号采样电压为变换器的采样信号；PID误差补偿网络的同相输入端为第一模拟开关的输出，反向输入端为第二模拟开关的输出；比较器的一个输入为PID误差补偿网络的输出，另一个输入为三角波振荡器产生的三角波电压信号，输出占空比信号；占空比低通滤波器的输入为占空比信号，输出为占空比滤波反馈电压；第一与门的一个输入为占空比信号，另一个输入为启停机信号；第二与门的一个输入为占空比信号的反相，另一个输入为启停机信号；第一与门的输出为变换器第一开关管的驱动信号d1；第二与门的输出为变换器第二开关管的驱动信号d2；驱动信号d1、d2经过驱动放大后驱动变换器的开关管工作。...

【技术特征摘要】
1.适用于模拟控制系统下变换器软启动控制电路，其特征在于，包括占空比基准产生电路、模拟选通开关、PID误差补偿网络、占空比产生器、占空比低通滤波器、第一与门、第二与门、反相器，其中，模拟选通开关包括第一至第二模拟开关，每个模拟开关有两个输入端、一个输出端，占空比产生器包括比较器、三角波振荡器；第一模拟开关的输入端接基准信号，基准信号包括基准电压、占空比基准信号，第一模拟开关选通其中一个，占空比基准信号通过占空比基准产生电路产生；第二模拟开度的输入端接采样信号，采样信号包括反馈信号采样电压和占空比滤波反馈电压，第二模拟开关选通其中一个，反馈信号采样电压为变换器的采样信号；PID误差补偿网络的同相输入端为第一模拟开关的输出，反向输入端为第二模拟开关的输出；比较器的一个输入为PID误差补偿网络的输出，另一个输入为三角波振荡器产生的三角波电压信号，输出占空比信号；占空比低通滤波器的输入为占空比信号，输出为占空比滤波反馈电压；第一与门的一个输入为占空比信号，另一个输入为启停机信号；第二与门的一个输入为占空比信号的反相，另一个输入为启停机信号；第一与门的输出为变换器第一开关管的驱动信号d1；第二与门的输出为变换器第二开关管的驱动信号d2；驱动信号d1、d2经过驱动放大后驱动变换器的开关管工作。2.根据权利要求1所述适用于模拟控制系统下变换器软启动控制电路，其特征在于，所述变换器的采样信号为变换器输入侧的采样电压、变换器输出侧的采样电压、变换器中电感电流的采样电压、变换器输入侧电流采样电压、变换器输出侧电流的采样电压。3.根据权利要求2所述适用于模拟控制系统下变换器软启动控制电路，其特征在于，所述占空比基准产生电路由除法器构成，除法器的输入为变换器输入侧的电压采样v1s和变换器输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘硕，张方华，孟无忌，任仁，任永宏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32