一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统及其方法，A/D采样模块a对主功率电路的输入电压进行采样，并转换为数字反馈信号Vinf送入工作模式判断单元；A/D采样模块b对主功率电路的输出电压和负载电流进行采样，并转换为数字反馈信号Vof和Iof。其中，Vof输出给滞环状态判断单元并产生滞环状态信号VH。然后将Vinf，Iof和VH共同送入工作模式判断单元，产生工作模式信号Vm。驱动选择单元根据工作模式信号Vm选择最优的一组频率和占空比，由PWM产生单元产生所需开关频率和占空比，送入驱动单元控制主功率电路中开关管的通断。本发明专利技术实现方法简单，可根据电路工作状态自适应调整驱动信号，能够在全输入电压和全负载范围内提高变换器效率。

Multi frequency hysteresis control system suitable for high frequency resonant converter and method thereof

The invention discloses a multi frequency hysteresis for high frequency resonant converter loop control system and method, A/D sampling module a to the main power circuit input voltage is sampled and converted to digital signals into the Vinf feedback mode judging unit; A/D sampling module B on the output voltage of the main power circuit and load current sampled and converted to digital feedback signal Vof and Iof. Among them, the Vof is output to the hysteresis state judgment unit and generates hysteresis state signal VH. The Vinf, Iof and VH are then fed into the operating mode decision unit to generate the operating mode signal Vm. According to the working mode of Vm signal selection unit to select the optimum set of frequency and duty ratio of the driving unit, the switching frequency and duty cycle produced by PWM, to drive the switch control unit main power circuit. The method of the invention is simple, and the driving signal can be adaptively adjusted according to the working state of the circuit, and the efficiency of the converter can be improved in the whole input voltage and the full load range.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统及其方法
本专利技术涉及一种控制系统及其方法，特别是一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统及其方法。
技术介绍
小型化和轻量化是开关电源发展的趋势。在开关电源中，变换器的体积重量主要受限于电感、电容等无源元件。提高开关频率可以有效减小无源元件体积，从而提高变换器的功率密度。近年来，宽禁带半导体器件发展迅速，GaN等新型半导体器件的出现为大幅提高变换器开关频率提供了可能。目前，开关频率高于10MHz的功率变换系统逐渐成为研究的热点。但是，开关器件的开关损耗随着开关频率的提高而增加。为减小开关损耗，具有软开关特性的谐振变换器得到了广泛应用。高频谐振变换器可以采用脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation,PFM)、脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)和ON-OFF控制等方法来调节输出电压。在10MHz以上的开关频率下，采用PFM控制时，电感和电容需根据最低开关频率设计，不利于减小电感和电容的体积和重量。而PWM调制方式的占空比分辨率较低，且难以兼顾输出电压的调节和开关管的软开关实现。因而，在开关频率高于10MHz的功率变换场合，目前主要采用ON-OFF控制。ON-OFF控制类似于“打嗝”控制，通过使变换器间歇性工作，将输出电压脉动限制在允许的范围内。当变换器工作时，开关管的开关频率和占空比均恒定。目前，该开关频率和占空比通常以变换器低压满载的工况进行设计。然而，当输入电压升高或变换器负载减轻时，该恒定的开关频率和占空比将无法保证变换器始终高效工作。事实上，当输入电压升高时，变换器的输出功率能力增强，使得电路中谐振电流和开关管电流均增大，增加了谐振电感的铜损和开关管的导通损耗。变换器负载减轻时，变换器所能提供的功率大于负载所需，变换器处于过设计状态。综上可知，基本的ON-OFF控制仅能保证高频谐振变换器在低压满载时的工作性能较好，而当输入电压升高或变换器负载减轻时，变换器处于过设计状态，产生不必要的损耗。因此，需要寻求新的控制技术，在全输入电压和全负载范围内提高高频谐振变换器的效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统及其方法，提高变换器在全输入电压和全负载范围下的变换效率。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统，其特征在于：包含A/D采样模块a、A/D采样模块b、工作模式判断单元、滞环状态判断单元、驱动选择单元和PWM产生单元，A/D采样模块a与工作模式判断单元连接用于对主功率电路的输入电压Vin进行采样，并转换为数字反馈信号输出给工作模式判断单元；A/D采样模块b与滞环状态判断单元、工作模式判断单元和电流采样器连接，用于对主功率电路的输出电压Vo和负载电流Io进行采样，并转换为数字反馈信号分别输出给滞环状态判断单元和工作模式判断单元；滞环判断单元与工作模式判断单元连接用于根据数字反馈信号Vof，判断变换器的滞环状态，并将判断结果VH输出给工作模式判断单元；工作模式判断单元与驱动选择单元连接用于根据数字反馈信号Vinf，Iof和滞环状态信号VH，产生模式判断信号Vm，并输出给驱动选择单元；驱动选择单元与PWM产生单元连接用于根据所得到的模式判断信号Vm，通过查表给出此时电路所需的驱动频率fs和占空比Dy，并输出给PWM产生单元；PWM产生单元与驱动单元连接用于产生所需的fs和Dy，输出给外部驱动单元。进一步地，所述主功率电路包含，电源Vin正极连接电感Lin一端，电感Lin另一端与开关管S一端、电容Cp一端和电感Lr一端连接，电感Lr的另一端与电容Cr一端连接，电容Cr另一端与二极管D2阴极、二极管D1阳极连接，二极管D1阴极与电容Co一端和负载RLd一端连接，负载RLd另一端、电容Co另一端、二极管D2阳极、电容Cp另一端和开关管S另一端连接电源Vin负极。进一步地，所述开关管S的控制端连接驱动单元，电流采样器对流经负载RLd的电流进行采样，采用变压器采样或者电阻采样实现。一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统的控制方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：根据主功率电路的拓扑及参数，获取多组适用于该主功率电路的开关频率和占空比，并存储于驱动选择单元内。步骤二：对变换器的输出电压和输入电压进行采样。同时，利用电流采样器对负载电流进行采样。将采样信号输出给控制电路中的A/D采样模块。步骤三：根据采样得到的输出电压数字反馈信号Vof，判断此时电路是处于输出电压滞环上升状态还是输出电压滞环下降状态，模式判别结果以VH表示。步骤四：根据输入电压数字反馈信号Vinf，得到在步骤一所获得的不同开关频率和占空比下，变换器的输出功率能力；根据负载电流数字反馈信号Iof，得到此时所需的负载功率；根据变换器的输出功率能力，负载功率以及滞环控制信号，给出此时变换器的工作模式判断结果Vm。步骤五：驱动选择单元根据变换器的工作模式判断结果，给出相应的驱动频率和占空比。进一步地，所述步骤一中存储于驱动选择单元内的多组开关频率和占空比具体为，1)存储的每组开关频率和占空比，均可以使谐振变换器主功率电路中的开关管在全输入电压范围内实现软开关；2)在各组开关频率和占空比下，变换器的输出功率能力均不同，按照变换器输出功率能力由弱至强，将各组开关频率和占空比分别表示为：(fs1，Dy1)，(fs1，Dy1)，……(fsn，Dyn)，其中，在驱动信号(fsn，Dyn)下，变换器输出功率能力高于其满载输出功率；3)驱动信号存储组数n为2-4组。进一步地，所述步骤三中滞环状态判断过程具体为将当前输出电压数字反馈信号Vof大小与上一数字反馈信号Vof进行比较，若信号幅值增大，且低于输出电压的滞环上门限值，则此时电路处于输出电压滞环上升状态；若信号幅值减小，且高于输出电压的滞环下门限值，则此时电路处于输出电压滞环下降状态。进一步地，所述步骤四中工作模式判断过程具体为，1)根据输入电压数字反馈信号Vinf，得到各组开关频率和占空比下变换器输出功率能力，分别以P1，P2，……，Pn表示，且P1<P2<……<Pn；2)根据负载电流数字反馈信号Io，得到负载所需功率Po；3)估算变换器效率η，选取0.65<η<0.95；计算求得ηP1，ηP2，……，ηPn；4)判断实际负载功率Po与ηP1，P1，ηP2，P2，……，ηPn-1，Pn-1，ηPn之间的大小关系；5)根据滞环状态信号，明确此时输出电压是处于滞环上升还是滞环下降状态；6)根据所得Po与ηP1，P1，ηP2，P2，……，ηPn-1，Pn-1，ηPn之间的大小关系以及滞环状态信号，得到模式判断信号Vm。进一步地，所述步骤五中驱动选择过程具体为，若0<Po<ηP1，且输出电压滞环上升，选取驱动(fs1，Dy1)；若0<Po<ηP1，且输出电压滞环下降，驱动闭锁，变换器不工作；若ηP1<Po<P1，且输出电压滞环上升，选取驱动(fs2，Dy2)；若ηP1<Po<P1，且输出电压滞环下降，驱动闭锁，变换器不工作；若ηPk<Po&l本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统，其特征在于：包含A/D采样模块a、A/D采样模块b、工作模式判断单元、滞环状态判断单元、驱动选择单元和PWM产生单元，A/D采样模块a与工作模式判断单元连接用于对主功率电路的输入电压Vin进行采样，并转换为数字反馈信号输出给工作模式判断单元；A/D采样模块b与滞环状态判断单元、工作模式判断单元和电流采样器连接，用于对主功率电路的输出电压Vo和负载电流Io进行采样，并转换为数字反馈信号分别输出给滞环状态判断单元和工作模式判断单元；滞环判断单元与工作模式判断单元连接用于根据数字反馈信号Vof，判断变换器的滞环状态，并将判断结果VH输出给工作模式判断单元；工作模式判断单元与驱动选择单元连接用于根据数字反馈信号Vinf，Iof和滞环状态信号VH，产生模式判断信号Vm，并输出给驱动选择单元；驱动选择单元与PWM产生单元连接用于根据所得到的模式判断信号Vm，通过查表给出此时电路所需的驱动频率fs和占空比Dy，并输出给PWM产生单元；PWM产生单元与驱动单元连接用于产生所需的fs和Dy，输出给外部驱动单元。

【技术特征摘要】
1.一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统，其特征在于：包含A/D采样模块a、A/D采样模块b、工作模式判断单元、滞环状态判断单元、驱动选择单元和PWM产生单元，A/D采样模块a与工作模式判断单元连接用于对主功率电路的输入电压Vin进行采样，并转换为数字反馈信号输出给工作模式判断单元；A/D采样模块b与滞环状态判断单元、工作模式判断单元和电流采样器连接，用于对主功率电路的输出电压Vo和负载电流Io进行采样，并转换为数字反馈信号分别输出给滞环状态判断单元和工作模式判断单元；滞环判断单元与工作模式判断单元连接用于根据数字反馈信号Vof，判断变换器的滞环状态，并将判断结果VH输出给工作模式判断单元；工作模式判断单元与驱动选择单元连接用于根据数字反馈信号Vinf，Iof和滞环状态信号VH，产生模式判断信号Vm，并输出给驱动选择单元；驱动选择单元与PWM产生单元连接用于根据所得到的模式判断信号Vm，通过查表给出此时电路所需的驱动频率fs和占空比Dy，并输出给PWM产生单元；PWM产生单元与驱动单元连接用于产生所需的fs和Dy，输出给外部驱动单元。2.按照权利要求1所述的一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统，其特征在于：所述主功率电路包含，电源Vin正极连接电感Lin一端，电感Lin另一端与开关管S一端、电容Cp一端和电感Lr一端连接，电感Lr的另一端与电容Cr一端连接，电容Cr另一端与二极管D2阴极、二极管D1阳极连接，二极管D1阴极与电容Co一端和负载RLd一端连接，负载RLd另一端、电容Co另一端、二极管D2阳极、电容Cp另一端和开关管S另一端连接电源Vin负极。3.按照权利要求2所述的一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统，其特征在于：所述开关管S的控制端连接驱动单元，电流采样器对流经负载RLd的电流进行采样，采用变压器采样或者电阻采样实现。4.一种采用权利要求1至3任一项所述的一种适用于高频谐振变换器的多频滞环控制系统的控制方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：根据主功率电路的拓扑及参数，获取多组适用于该主功率电路的开关频率和占空比，并存储于驱动选择单元内。步骤二：对变换器的输出电压和输入电压进行采样。同时，利用电流采样器对负载电流进行采样。将采样信号输出给控制电路中的A/D采样模块。步骤三：根据采样得到的输出电压数字反馈信号Vof，判断此时电路是处于输出电压滞环上升状态还是输出电压滞环下降状态，模式判别结果以VH表示。步骤四：根据输入电压数字反馈信号Vinf，得到在步骤一所获得的不同开关频率和占空比下，变换器的输出功率能力；根据负载电流数字反馈信号Iof，得到此时所需的负载功率；根据变换器的输出功率能力，负载功率以及滞环控制信号，给出此时变换器的工作模式判断结果Vm。步骤五：驱动选择单元根据变换器的工作模式判断结果，给出...

【专利技术属性】
技术研发人员：李颖，阮新波，戴剑东，
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