一种DC-DC电力变换器能量控制电路及其控制方法技术

本发明专利技术属于DC‑DC电力变换器的控制领域，具体涉及一种以电路的实际输出能量与电路负载所需的期望能量是否相等为判据，进而对电路进行控制的DC‑DC电力变换器能量控制电路及其控制方法。本发明专利技术由DC‑DC变换器主电路，输入能量检测电路、输出能量检测电路、能量分析电路、脉宽调制信号生成电路与逻辑驱动电路组成，输入滤波电容C1、电力电子器件K1、续流二极管D1、滤波电感L1、输出滤波电容C2构成DC‑DC变换器主电路。本发明专利技术能量控制电路及其控制方法是以DC‑DC变换器输出的能量是否满足负载的需求为判据，进而控制主电路中的电力电子器件的开关状态，因可以有效抑制住输出电流的动态超调现象，可以有效抑制住输出电压的动态超调现象。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于DC-DC电力变换器的控制领域，具体涉及一种以电路的实际输出能量与电路负载所需的期望能量是否相等为判据，进而对电路进行控制的DC-DC电力变换器能量控制电路及其控制方法。
技术介绍
在DC-DC变换器(在以下文字中所涉及到的DC-DC变换器，均指利用电力电子开关器件实现电能变换的DC-DC变换器)的控制器设计中，以滞环控制器和PID控制器最为常见。滞环控制由于具有系统响应速度快、鲁棒性好，且控制器结构简单、易于实现等优点而被广泛采用。但是在采用电压滞环控制器对DC-DC变换器的输出电压进行控制时，往往会出现输出电流波动过大，甚至电流最大值超过允许值的情况；而采用电流滞环控制器对DC-DC变换器的输出电流进行控制时，又会出现输出电压不可控的情况。此外采用滞环控制时，变换器中电力电子器件的开关频率总在变化，增加了输出滤波电路参数设计的复杂性。而传统的PID控制器，虽然稳态性能好，但是在动态调节过程中存在超调、振荡等现象，特别是当负载变化时，此类问题更加突出，致使输出电能质量变差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有滞环控制器和PID控制器的不足，提供一种以输出能量为控制目标的能量控制器及其控制方法，在实现对DC-DC变换器有效控制的前提下，可解决现有滞环控制器和PID控制器的缺陷的DC-DC电力变换器能量控制电路。本专利技术的目的还在于提供一种DC-DC电力变换器能量控制电路控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种DC-DC电力变换器能量控制电路，由DC-DC变换器主电路，输入能量检测电路、输出能量检测电路、能量分析电路、脉宽调制信号生成电路与逻辑驱动电路组成，输入滤波电容C1、电力电子器件K1、续流二极管D1、滤波电感L1、输出滤波电容C2构成DC-DC变换器主电路；输入能量检测电路的输入端A和输入端B分别和外部电源的正、负极连接，输入能量检测电路的输出端C和输出端D分别与BUCK电路的输入正、负极连接，同时输入能量检测电路W1通过数据总线与能量分析电路连接；输出能量检测电路的输入端E和输入端F分别和BUCK电路的输出正、负极连接，输出能量检测电路的输出端G和输出端H分别和负载的正、负极连接，同时输出能量检测电路通过数据总线与能量分析电路连接；脉宽调制信号生成电路的脉宽调制信号输出端和与逻辑驱动电路的一个数字量信号输入端连接，同时也和能量分析电路的数字量信号输入端连接；与逻辑驱动电路的另一个数字量信号输入端和能量分析电路的数字量输出信号端连接，与逻辑驱动电路的驱动信号输出端与BUCK电路中的电力电子器件的驱动端连接；脉宽调制信号生成电路输出开关频率恒定、占空比恒定的PWM信号，PWM信号占空比的大小确保在采用该PWM信号来控制BUCK电路时，其开环输出电压值或电流值必须大于负载所需要的输出电压值或电流值；PWM信号开关频率的选取以电力电子器件的工作频率、DC-DC变换器主电路输出滤波器的参数为依据来确定；输入能量检测电路对外部电源提供给BUCK电路的能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路Y1，输入能量检测电路W1的能量检测频率和数据发送频率相等，能量检测频率和数据发送频率不小于5倍的PWM信号的频率；输出能量检测电路对BUCK电路的输出电压、输出电流和输出能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路，输出能量检测电路对输出电压、输出电流、输出能量的检测频率和数据发送频率相等，且与输入能量检测电路W1的能量检测频率值相等；能量分析电路对脉宽调制信号生成电路输出的PWM信号进行捕获，判断出电平的变化时刻，即电平的上升沿和下降沿发生时刻，并定义出开关周期的初始时刻；实时接收输入能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，计算出前一个开关周期内，即从前一个开关周期初始时刻到前一个开关周期终止时刻的时间段内，外部电源提供给BUCK电路的能量Winq；实时接收输入能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，实时计算出当前开关周期内，从当前开关周期初始时刻到当前时刻的时间段内，外部电源提供给BUCK电路的能量Wind；实时接收输出能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，计算出前一个开关周期内，即从前一个开关周期初始时刻到前一个开关周期终止时刻的时间段内，BUCK电路提供给负载的能量Woutq；计算出前一个开关周期内，BUCK电路的效率η；实时接收输出能量检测电路W2通过数据总线发送过来的输出电压、输出电流检测结果，当BUCK电路的控制目标为恒压输出时，能量分析电路Y1预测在当前的一个完整的开关周期内，即从当前开关周期初始时刻到当前开关周期终止时刻的时间段内，BUCK电路需要提供给负载的能量Wouty；当BUCK电路的控制目标为恒流输出时，能量分析电路预测Wouty的大小；式中，Uref为BUCK电路输出电压的给定值；Uoutd为能量检测电路W2最新检测到的输出电压值；Ioutd为能量检测电路W2最新检测到的输出电流值；RL＝Uoutd/Ioutd为BUCK电路的负载等效电阻值；TS为脉宽调制信号生成电路P1输出的PWM信号的开关周期；式中Iref为BUCK电路输出电流的给定值；计算能量判据ΔW的大小ΔW＝Windη-Wouty如果ΔW＜0，能量分析电路Y1将数字量输出信号EN置1；如果ΔW≥0，则能量分析电路Y1将数字量输出信号EN置0；在每一个PWM信号开关周期的初始时刻，将数字量输出信号EN置1；逻辑驱动电路将输入的PWM信号和EN信号进行与逻辑运算，并将运算后的输出信号进行电气隔离和功率放大处理，使之能够满足驱动电力电子器件的需求。一种DC-DC电力变换器能量控制电路控制方法，包括如下步骤：(1)控制电路和主电路先后上电后，BUCK电路开始工作，脉宽调制信号生成电路输出恒频恒占空比PWM信号；(2)能量分析电路捕获PWM信号，定义开关周期起始时刻；(3)若当前时刻为开关周期起始时刻，则将EN置1，否则直接执行步骤(4)；(4)若EN＝1，则执行(5)，否则执行(9)；(5)输入能量检测电路检测输入能量，检测结果发送至能量分析电路；(6)输出能量检测电路检测输出电压、输出电流和输出能量，检测结果发送至能量分析电路；(7)能量分析电路接收输入能量检测电路和输出能量检测电路发送来的数据，计算ΔW；(8)若ΔW≥0，则将EN置0；若ΔW＜0，则EN保持不变；(9)与逻辑驱动电路对EN和脉宽调制信号生成电路输出的PWM信号进行与运算，运算结果经功率放大后用于驱动电力电子器件，从而控制BUCK电路工作；(10)若停机，则执行(11)，否则执行(3)；(11)先后断开主电路电源和控制电路电源，BUCK电路停止工作。本专利技术的有益效果在于：本专利技术所提出的DC-DC变换器能量控制电路及其控制方法与现有的电压或电流滞环控制器相比，具有以下优点：(1)能量控制电路及其控制方法是以DC-DC变换器输出的能量是否满足负载的需求为判据，进而控制主电路中的电力电子器件的开关状态，因此在以输出电压为控制目标的控制过程中，可以有效抑制住输出电流的动态超调现象，而在以输出电流为控制目标的控制过程中能够，可以有效抑制住输出电压的动态超调现象。(2)脉宽调制信号生成电路P1输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种DC‑DC电力变换器能量控制电路，由DC‑DC变换器主电路，输入能量检测电路、输出能量检测电路、能量分析电路、脉宽调制信号生成电路与逻辑驱动电路组成，其特征在于：输入滤波电容(C1)、电力电子器件(K1)、续流二极管(D1)、滤波电感(L1)、输出滤波电容(C2)构成DC‑DC变换器主电路；输入能量检测电路的输入端A和输入端B分别和外部电源的正、负极连接，输入能量检测电路的输出端C和输出端D分别与BUCK电路的输入正、负极连接，同时输入能量检测电路W1通过数据总线与能量分析电路连接；输出能量检测电路的输入端E和输入端F分别和BUCK电路的输出正、负极连接，输出能量检测电路的输出端G和输出端H分别和负载的正、负极连接，同时输出能量检测电路通过数据总线与能量分析电路连接；脉宽调制信号生成电路的脉宽调制信号输出端和与逻辑驱动电路的一个数字量信号输入端连接，同时也和能量分析电路的数字量信号输入端连接；与逻辑驱动电路的另一个数字量信号输入端和能量分析电路的数字量输出信号端连接，与逻辑驱动电路的驱动信号输出端与BUCK电路中的电力电子器件的驱动端连接；脉宽调制信号生成电路输出开关频率恒定、占空比恒定的PWM信号，PWM信号占空比的大小确保在采用该PWM信号来控制BUCK电路时，其开环输出电压值或电流值必须大于负载所需要的输出电压值或电流值；PWM信号开关频率的选取以电力电子器件的工作频率、DC‑DC变换器主电路输出滤波器的参数为依据来确定；输入能量检测电路对外部电源提供给BUCK电路的能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路Y1，输入能量检测电路W1的能量检测频率和数据发送频率相等，能量检测频率和数据发送频率不小于5倍的PWM信号的频率；输出能量检测电路对BUCK电路的输出电压、输出电流和输出能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路，输出能量检测电路对输出电压、输出电流、输出能量的检测频率和数据发送频率相等，且与输入能量检测电路W1的能量检测频率值相等；能量分析电路对脉宽调制信号生成电路输出的PWM信号进行捕获，判断出电平的变化时刻，即电平的上升沿和下降沿发生时刻，并定义出开关周期的初始时刻；实时接收输入能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，计算出前一个开关周期内，即从前一个开关周期初始时刻到前一个开关周期终止时刻的时间段内，外部电源提供给BUCK电路的能量Winq；实时接收输入能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，实时计算出当前开关周期内，从当前开关周期初始时刻到当前时刻的时间段内，外部电源提供给BUCK电路的能量Wind；实时接收输出能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，计算出前一个开关周期内，即从前一个开关周期初始时刻到前一个开关周期终止时刻的时间段内，BUCK电路提供给负载的能量Woutq；计算出前一个开关周期内，BUCK电路的效率η；η=WoutqWinq×100%]]>实时接收输出能量检测电路W2通过数据总线发送过来的输出电压、输出电流检测结果，当BUCK电路的控制目标为恒压输出时，能量分析电路Y1预测在当前的一个完整的开关周期内，即从当前开关周期初始时刻到当前开关周期终止时刻的时间段内，BUCK电路需要提供给负载的能量Wouty；当BUCK电路的控制目标为恒流输出时，能量分析电路预测Wouty的大小；Wouty=Uref2IoutdUoutdTS=Uref2RLTS]]>式中Uref为BUCK电路输出电压的给定值；Uoutd为能量检测电路W2最新检测到的输出电压值；Ioutd为能量检测电路W2最新检测到的输出电流值；RL＝Uoutd/Ioutd为BUCK电路的负载等效电阻值；TS为脉宽调制信号生成电路P1输出的PWM信号的开关周期；Wouty=Iref2UoutdIoutdTS=Iref2RLTS]]>式中Iref为BUCK电路输出电流的给定值；计算能量判据ΔW的大小ΔW＝Windη‑Wouty如果ΔW＜0，能量分析电路Y1将数字量输出信号EN置1；如果ΔW≥0，则能量分析电路Y1将数字量输出信号EN置0；在每一个PWM信号开关周期的初始时刻，将数字量输出信号EN置1；逻辑驱动电路将输入的PWM信号和EN信号进行与逻辑运算，并将运算后的输出信号进行电气隔离和功率放大处理，使之能够满足驱动电力电子器件的需求。...

【技术特征摘要】
1.一种DC-DC电力变换器能量控制电路，由DC-DC变换器主电路，输入能量检测电路、输出能量检测电路、能量分析电路、脉宽调制信号生成电路与逻辑驱动电路组成，其特征在于：输入滤波电容(C1)、电力电子器件(K1)、续流二极管(D1)、滤波电感(L1)、输出滤波电容(C2)构成DC-DC变换器主电路；输入能量检测电路的输入端A和输入端B分别和外部电源的正、负极连接，输入能量检测电路的输出端C和输出端D分别与BUCK电路的输入正、负极连接，同时输入能量检测电路W1通过数据总线与能量分析电路连接；输出能量检测电路的输入端E和输入端F分别和BUCK电路的输出正、负极连接，输出能量检测电路的输出端G和输出端H分别和负载的正、负极连接，同时输出能量检测电路通过数据总线与能量分析电路连接；脉宽调制信号生成电路的脉宽调制信号输出端和与逻辑驱动电路的一个数字量信号输入端连接，同时也和能量分析电路的数字量信号输入端连接；与逻辑驱动电路的另一个数字量信号输入端和能量分析电路的数字量输出信号端连接，与逻辑驱动电路的驱动信号输出端与BUCK电路中的电力电子器件的驱动端连接；脉宽调制信号生成电路输出开关频率恒定、占空比恒定的PWM信号，PWM信号占空比的大小确保在采用该PWM信号来控制BUCK电路时，其开环输出电压值或电流值必须大于负载所需要的输出电压值或电流值；PWM信号开关频率的选取以电力电子器件的工作频率、DC-DC变换器主电路输出滤波器的参数为依据来确定；输入能量检测电路对外部电源提供给BUCK电路的能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路Y1，输入能量检测电路W1的能量检测频率和数据发送频率相等，能量检测频率和数据发送频率不小于5倍的PWM信号的频率；输出能量检测电路对BUCK电路的输出电压、输出电流和输出能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路，输出能量检测电路对输出电压、输出电流、输出能量的检测频率和数据发送频率相等，且与输入能量检测电路W1的能量检测频率值相等；能量分析电路对脉宽调制信号生成电路输出的PWM信号进行捕获，判断出电平的变化时刻，即电平的上升沿和下降沿发生时刻，并定义出开关周期的初始时刻；实时接收输入能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，计算出前一个开关周期内，即从前一个开关周期初始时刻到前一个开关周期终止时刻的时间段内，外部电源提供给BUCK电路的能量Winq；实时接收输入能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，实时计算出当前开关周期内，从当前开关周期初始时刻到当前时刻的时间段内，外部电源提供给BUCK电路的能量Wind；实时接收输出能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，计算出前...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，付兴利，宿小明，张炜，王云鹏，白峻汀，王言畅，杨威，段玉，孙维义，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23