一种适用于宽输入DC‑DC 的多模式控制电路制造技术

本发明专利技术涉及一种适用于宽输入DC‑DC的多模式控制电路，对临近空间飞行器能源系统中的DC‑DC主电路的工作模式进行判定和切换，包含：采样单元，采集DC‑DC主电路的输入输出信号；模数转换单元，对输入输出信号进行模数转换；逻辑单元，对DC‑DC主电路的多种工作模式进行初始判定与切换判定，并根据切换判定结果，输出数字脉宽调制信号；电平转换单元，将数字脉宽调制信号转换为模拟脉宽调制信号；驱动单元，将模拟脉宽调制信号转换为驱动信号，驱动DC‑DC主电路进行工作模式的切换。本发明专利技术采用数字控制方式，实现在宽范围电压的输入条件下，对DC‑DC多种工作模式的有效判定与切换，满足临近空间飞行器复杂的飞行工况，同时具有高可靠、集成化以及智能化的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于宽输入DC-DC的多模式控制电路
本专利技术涉及一种多模式控制电路，具体是指一种宽输入DC-DC的多模式控制电路，适用于临近空间飞行器的能源系统。
技术介绍
随着临近空间飞行器工作任务的复杂化、负载容量的扩大化，对飞行器能源系统的供电能力、功率密度、转换效率、以及配置管理等技术提出了更高的要求。作为临近空间飞行器能源系统的主要部分，电源控制模块除了应达到基本的性能指标之外，还需满足高可靠、集成化以及智能化的需求。由于临近空间飞行器工作环境频繁多变，在飞行过程中受环境温度的影响较大，太阳电池阵工作电压范围较广，因此为了最大程度地利用太阳电池阵的发电能力，不仅需要采取MPPT(MaximumPowerPointTracking，最大功率点跟踪)技术实时跟踪太阳电池阵的最大功率点，而且应当宽范围电压的输入条件下，对于功率转换中的DC-DC(直流-直流)多种工作模式实现有效判定和切换。其中，所述的DC-DC多种工作模式包括：MPPT降压模式、直通模式、MPPT升压模式以及恒压模式。现有技术中，临近空间飞行器能源系统的电源控制模块采用传统模拟控制电路进行DC-DC多种工作模式的判定和切换。但是，传统的模拟控制电路限制了电源控制模块性能的改进和能源系统的发展空间。其一，因DC-DC的工作模式较多，使得模拟控制电路需要采用大量的分立元器件，导致可靠性难以评估，且集成度不易优化；其二，模拟控制电路在实现能源系统的检测与管理功能方面较为困难，需设计较多的辅助电路，且调试流程较为复杂，将花费大量的时间、人力、物力成本。综上所述，目前亟需提出一种适用于宽输入DC-DC的多模式数字控制电路，能够实现在MPPT降压模式、直通模式、MPPT升压模式以及恒压模式之间的有效判定与切换，并且具有高可靠性、集成化以及智能化的特点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适用于宽输入DC-DC的多模式控制电路，采用数字控制方式，实现在宽范围电压的输入条件下，对DC-DC多种工作模式的有效判定与切换，满足临近空间飞行器复杂的飞行工况，同时具有高可靠、集成化以及智能化的特点。为实现上述目的，本专利技术提供一种适用于宽输入DC-DC的多模式控制电路，对临近空间飞行器能源系统中的DC-DC主电路的工作模式进行判定和切换，包含：采样单元，采集DC-DC主电路的输入输出信号；模数转换单元，与采集单元连接，对采集到的输入输出信号进行模数转换得到对应的数字信号；逻辑单元，与模数转换单元连接，根据接收到的数字信号，以及逻辑单元中设定的DC-DC多种工作模式的初始判定条件和平滑切换条件，对DC-DC主电路的多种工作模式进行初始判定与切换判定，并根据切换判定结果，输出对应的数字脉宽调制信号；电平转换单元，与逻辑单元连接，将接收到的数字脉宽调制信号转换为对应的模拟脉宽调制信号；驱动单元，分别与电平转换单元以及DC-DC主电路连接，将接收到的模拟脉宽调制信号转换为对应的驱动信号，并驱动DC-DC主电路进行工作模式的切换。所述的临近空间飞行器能源系统由电源控制模块，以及分别与该电源控制模块连接的太阳电池阵和锂离子蓄电池组组成；其中，所述的电源控制模块包含：分别与太阳电池阵、锂离子蓄电池组连接的DC-DC主电路，以及与DC-DC主电路连接的多模式控制电路；所述的DC-DC主电路由开关器件Q1、Q2、Q3与Q4组成。所述的采集单元包含：输入电压采样单元，通过DC-DC主电路与太阳电池阵连接，实时采集由太阳电池阵传输至DC-DC主电路的输入电压Uin；输入电流采样单元，通过DC-DC主电路与太阳电池阵连接；实时采集由太阳电池阵传输至DC-DC主电路的输入电流Iin；输出电压采样单元，通过DC-DC主电路与锂离子蓄电池组连接，实时采集由输入DC-DC主电路传输至锂离子蓄电池组的输出电压Uout。其中，所述的输入电压采样单元对实时采集到的输入电压Uin进行差分采样及分压处理，转换为模拟信号Uin_sample，并传输至模数转换单元；所述的输入电流采样单元采用低边电流检测技术将实时采集到的输入电流Iin转换为模拟信号Iin_sample，并传输至模数转换单元；所述的输出电压采样单元对实时采集到的输出电压Uout进行差分采样及分压处理，转换为模拟信号Uout_sample，并传输至模数转换单元；其中，输出电压采样单元与输入电压采样单元采用相同的分压比例。所述的模数转换单元与逻辑单元之间通过数据总线连接，模数转换单元对接收到的模拟信号Uin_sample、Iin_sample和Uout_sample进行模数转换后得到对应的数字信号DUin_sample、DIin_sample和DUout_sample，并传输至逻辑单元。所述的逻辑单元采用FPGA进行数字控制，该逻辑单元中设定的DC-DC多种工作模式的初始判定条件为：设定MPPT降压模式、直通模式、MPPT升压模式以及恒压模式的参考电压数字量DUin_ref和DUout_ref；当DUin_ref<DUout_ref且DUin_sample-DUout_sample>K时，判定DC-DC主电路工作于MPPT降压模式；当DUin_ref<DUout_ref且-K≤DUin_sample-DUout_sample≤K时，判定DC-DC主电路工作于直通模式；当DUin_ref<DUout_ref且DUin_sample-DUout_sample<-K时，判定DC-DC主电路工作于MPPT升压模式；当DUout_ref≤DUin_ref时，判定DC-DC主电路工作于恒压模式；其中，K为预先设定的数字常量。所述的逻辑单元中设定的DC-DC多种工作模式的平滑切换条件为：当DC-DC主电路工作于MPPT降压模式时，若DUin_ref<DUout_ref且-K≤DUin_sample-DUout_sample≤K，则将DC-DC主电路的工作模式切换判定为直通模式；当DC-DC主电路工作于直通模式时，记录其切换至直通模式时的值DUin_sample＝A，并从模数转换单元实时接收DUin_sample；若DUin_sample–A>K，则将DC-DC主电路的工作模式切换判定为MPPT降压模式；若A-DUin_sample>K，则将DC-DC主电路的工作模式切换判定为MPPT升压模式；其中，A为数字常量；当DC-DC主电路工作于MPPT升压模式时，若DUin_ref<DUout_ref且-K≤DUin_sample-DUout_sample≤K，则将DC-DC主电路的工作模式切换判定为直通模式；若DUout_ref≤DUin_ref，则将DC-DC主电路的工作模式切换判定为恒压模式；当DC-DC主电路工作于恒压模式时，若DUin_ref<DUout_ref，则将DC-DC主电路的工作模式切换判定为MPPT升压模式。所述的逻辑单元根据DC-DC主电路的工作模式的切换判定结果，输出对应的数字脉宽调制信号DPWM1、DPWM2、DPWM3与DPWM4；当DC-DC主电路切换判定为MPPT降压模式时，逻辑单元输出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于宽输入DC‑DC的多模式控制电路，其特征在于，对临近空间飞行器能源系统中的DC‑DC主电路的工作模式进行判定和切换，包含：采样单元，采集DC‑DC主电路的输入输出信号；模数转换单元，与采集单元连接，对采集到的输入输出信号进行模数转换得到对应的数字信号；逻辑单元，与模数转换单元连接，根据接收到的数字信号，以及逻辑单元中设定的DC‑DC多种工作模式的初始判定条件和平滑切换条件，对DC‑DC主电路的多种工作模式进行初始判定与切换判定，并根据切换判定结果，输出对应的数字脉宽调制信号；电平转换单元，与逻辑单元连接，将接收到的数字脉宽调制信号转换为对应的模拟脉宽调制信号；驱动单元，分别与电平转换单元以及DC‑DC主电路连接，将接收到的模拟脉宽调制信号转换为对应的驱动信号，并驱动DC‑DC主电路进行工作模式的切换。

【技术特征摘要】
1.一种适用于宽输入DC-DC的多模式控制电路，其特征在于，对临近空间飞行器能源系统中的DC-DC主电路的工作模式进行判定和切换，包含：采样单元，采集DC-DC主电路的输入输出信号；模数转换单元，与采集单元连接，对采集到的输入输出信号进行模数转换得到对应的数字信号；逻辑单元，与模数转换单元连接，根据接收到的数字信号，以及逻辑单元中设定的DC-DC多种工作模式的初始判定条件和平滑切换条件，对DC-DC主电路的多种工作模式进行初始判定与切换判定，并根据切换判定结果，输出对应的数字脉宽调制信号；电平转换单元，与逻辑单元连接，将接收到的数字脉宽调制信号转换为对应的模拟脉宽调制信号；驱动单元，分别与电平转换单元以及DC-DC主电路连接，将接收到的模拟脉宽调制信号转换为对应的驱动信号，并驱动DC-DC主电路进行工作模式的切换。2.如权利要求1所述的适用于宽输入DC-DC的多模式控制电路，其特征在于，所述的临近空间飞行器能源系统由电源控制模块，以及分别与该电源控制模块连接的太阳电池阵和锂离子蓄电池组组成；所述的电源控制模块包含：分别与太阳电池阵、锂离子蓄电池组连接的DC-DC主电路，以及与DC-DC主电路连接的多模式控制电路；所述的DC-DC主电路由开关器件Q1、Q2、Q3与Q4组成。3.如权利要求2所述的适用于宽输入DC-DC的多模式控制电路，其特征在于，所述的采集单元包含：输入电压采样单元，通过DC-DC主电路与太阳电池阵连接，实时采集由太阳电池阵传输至DC-DC主电路的输入电压Uin；输入电流采样单元，通过DC-DC主电路与太阳电池阵连接，实时采集由太阳电池阵传输至DC-DC主电路的输入电流Iin；输出电压采样单元，通过DC-DC主电路与锂离子蓄电池组连接，实时采集由输入DC-DC主电路传输至锂离子蓄电池组的输出电压Uout。4.如权利要求3所述的适用于宽输入DC-DC的多模式控制电路，其特征在于，所述的输入电压采样单元对实时采集到的输入电压Uin进行差分采样及分压处理，转换为模拟信号Uin_sample，并传输至模数转换单元；所述的输入电流采样单元采用低边电流检测技术将实时采集到的输入电流Iin转换为模拟信号Iin_sample，并传输至模数转换单元；所述的输出电压采样单元对实时采集到的输出电压Uout进行差分采样及分压处理，转换为模拟信号Uout_sample，并传输至模数转换单元；其中，输出电压采样单元与输入电压采样单元采用相同的分压比例。5.如权利要求4所述的适用于宽输入DC-DC的多模式控制电路，其特征在于，所述的模数转换单元与逻辑单元之间通过数据总线连接，模数转换单元对接收到的模拟信号Uin_sample、Iin_sample和Uout_sample进行模数转换后得到对应的数字信号DUin_sample、DIin_sample和DUout_sample，并传输至逻辑单元。6.如权利要求5所述的适用于宽输入DC-DC的多模式控制电路，其特征在于，所述的逻辑单元采用FPGA进行数字控制，该逻辑单元中设定的DC-DC多种工作模式的初始判定条件为：设定MPPT降压模式、直通模式、MPPT升压模式以及恒压模式的参考电压数字量DUin_ref和DUout_ref；当DUin_ref<DUout_ref且DUin_sample-DUout_sample>K时，判定DC-DC主电路工作于MPPT降压模式；当DUin_...

【专利技术属性】
技术研发人员：王霄，董宝磊，刘涛，何小斌，张旭，谢伟，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31