一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种换流电路拓扑结构，涉及电源技术领域，温度控制技术领域，具体涉及一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck‑Boost换流电路拓扑及其控制系统。该换流拓扑包括电源，与所述电源相连接的开关管，所述开关管通过电感和第二开关相连接，所述开关管的通断受到与其连接的开关驱动模块的控制；第四开关、电容和制冷片TEC并联后跨接在所述第二开关的另一端和电源负极之间；第一开关与二极管的阳极相连接后跨接在电源负极与所述电感的CA端之间；第三开关跨接于所述二极管的阳极与第四开关之间。本发明专利技术能够根据温度反馈信号动态地在Buck和Buck‑Boost结构之间切换，从而实现输出电压电流方向的切换，使得TEC工作在加热或制冷模式下。

A Buck/Buck-Boost converter circuit topology and its control system with non isolated dynamic dual mode switching

The invention relates to a converter circuit topology, which relates to the technical field of power supply and temperature control, in particular to a non-isolated dynamic dual-mode switching Buck/Buck_Boost converter circuit topology and its control system. The commutation topology comprises a power supply connected to the power supply by a switch tube connected to the power supply through an inductor and a second switch, and the switch tube on and off is controlled by the switching drive module to which it is connected; a fourth switch, a capacitor and a refrigerating sheet TEC are connected in parallel and are connected across the other end of the second switch and the power supply negative electrode. The first switch is connected with the anode of the diode and then is spanned between the negative electrode of the power supply and the CA terminal of the inductor; the third switch is spanned between the anode of the diode and the fourth switch. The invention can dynamically switch between Buck and Buck_Boost structures according to temperature feedback signals, thereby realizing the switching of output voltage and current direction, and making TEC work in heating or cooling mode.

【技术实现步骤摘要】
一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统
本专利技术涉及一种换流电路拓扑结构，涉及电源
，温度控制
，具体涉及一种非隔离动态双模切换的Buck/Buck-Boost换流电路拓扑及其控制系统。
技术介绍
在半导体器件研究、半导体激光器研发应用、以及生物医疗科学、天文观测设备、激光陀螺、精密仪器校准等众多领域中，精密可调恒温控制系统都是必不可少的技术支撑条件之一。目前精密可调恒温控制多采用对TEC(半导体制冷片)的驱动控制实现，驱动控制的电路拓扑主要有双模(加热和制冷双模式)线性H桥换流拓扑和单模(制冷)Buck降压换流拓扑。如图1所示，双模线性H桥换流拓扑的主要结构是由三极管Q2～Q5组成的H桥构成，其工作原理是利用TEC制冷片通电时一面制冷的同时另一面发热的特点，采用H桥功率管交替导通技术切换通过TEC的电流方向，从而选择加热或制冷模式，进行控制负载温度。双模线性H桥换流拓扑温控精度较高，但功率转换效率很低，因此只能输出较小的制冷量和加热量，对于大功率热负荷或者中大功率激光器而言，其温控功率和效率均无法满足要求。如图2所示，单模Buck降压换流拓扑主要是由开关管Q6、电感L2、电容C2和二极管D2构成，其基本原理是采用Buck开关换流拓扑，根据温度信号变化，输出电功率驱动TEC，TEC在电功率的驱动下具有将热量从冷面抽运到热面的特性，从而将目标发热量抽运到散热器上。当TEC抽运热量与被控器件发热量达成动态平衡时，被控器件的温度就保持在恒定设定值上，由于控制精度与被控器件发热量相关，控制负载温度的稳定性精确度就很难保证。此外，当实际温度低于设定温度时，单模Buck降压换流拓扑只会停止制冷，此时实际温度低于设定温度，无法自行调整到设定温度值，这是当前单模制冷非线性Buck降压换流拓扑的主要缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑及其控制系统，该电路拓扑能够根据温度反馈信号动态地在Buck和Buck-Boost结构之间切换，从而实现输出电压电流方向的切换，使得TEC被驱动，工作在加热或制冷模式下。为了达到上述技术目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑，其特征在于，该换流拓扑包括电源，与所述电源相连接的开关管，所述开关管通过电感和第二开关相连接，所述开关管的通断受到与其连接的开关驱动模块的控制；第四开关、电容和制冷片TEC并联后跨接在所述第二开关的另一端和电源负极之间；第一开关与二极管的阳极相连接后跨接在电源负极与所述电感的CA端之间；第三开关跨接于所述二极管的阳极与第四开关之间。进一步，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的通断受到与其连接的换向驱动模块的控制。进一步，所述开关管为三极管或者MOS管中的一种。进一步，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关为三极管、MOS管、IGBT、或者继电器中的一种或者多种。一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括监测判断实际温度和设定温度，得到比较逻辑值；检测换流拓扑的工作模块，判断当前工作模式；根据所述比较逻辑值和当前模式判断的结果调整所述换流拓扑的工作状态。进一步，所述换流拓扑的工作模块包括：当所述换流拓扑的第一开关和第二开关闭合，第三开关和第四开关打开时，该电路拓扑变换为Buck换流拓扑进入制冷模式，在开关驱动模块的作用下输出正向可调节幅度的电压电流；当所述换流拓扑的第一开关和第二开关打开，第三开关和第四开关闭合时，该电路拓扑变换为Buck-Boost换流拓扑进入加热模式，在开关驱动模块的作用下输出负向可调节幅度的电压电流。进一步，所述根据所述比较逻辑值和当前模式判断的结果调节所述换流拓扑的工作状态，包括以下步骤：当比较逻辑值为实际温度大于设定温度时，当前模式为制冷模式时，则保持当前模式并调节制冷幅度；当前模式为加热模式时，则对所述换流拓扑的工作模式进行双向切换，将其切换为制冷模式；当前模式为不工作时，则驱动制冷模式；当比较逻辑值为实际温度小于设定温度时，当前模式为加热模式时，则保持当前模式并调节加热幅度；当前模式为制冷模式时，则对所述换流拓扑的工作模式进行双向切换，将其切换为加热模式；当前模式为不工作时，则驱动加热模式；当比较逻辑值为实际温度等于设定温度时，当前模式为加热模式或者制冷模式时，则关闭电流拓扑使其不工作；当前模式为不工作时，则保持不工作的状态。进一步，所述换流拓扑切换为加热模式或者制冷模式，包括以下步骤：首先关闭当前模式，通过过零检测模块检测负载电流是否归零，当负载电流为零时将所述电流拓扑的工作模式进行切换，所述电流拓扑能够从加热模式切换到制冷模式，也能够从制冷模式切换到加热模式。进一步，所述保持当前切换模式并调节加热或者制冷幅度，还包括以下步骤：取实际温度和设定温度的差值绝对值，通过PID调节和PWM调节对其PWM信号的占空比进行调节，进而控制所述电流拓扑的输入信号，调节TEC的制冷量或者加热量的大小；对所述PWM信号的占空比的调节独立于所述换流拓扑的工作模式进行双向切换的过程。一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制系统，其特征在于，包括用于采集实际温度的温度传感器；用于将所述设定温度与实际温度进行比较得到比较逻辑值的比较模块；用于检测判断当前所述换流拓扑工作模式的模式判断模块；用于根据所述比较逻辑值和当前模式判断模块的结果调节所述换流拓扑工作模式的模式调节模块；和用于控制所述换流拓扑是否工作的开关驱动模块。进一步，所述模式调节模块包括保持当前模式模块，所述保持当前模式模块还包括：用于将所述实际温度与设定温度进行比较得到差值绝对值的差值模块；用于对所述差值绝对值进行调节控制的PID调节模块；和用于根据所述差值绝对值和所述当前模式进行调节所述开关驱动模块PWM信号的占空比的PWM调节模块。进一步，所述模式调节模块包括换向驱动模块，所述换向驱动模块还包括：在切换工作模式时，用于检测负载电压为零时控制所述换向驱动模块切换工作模式的过零检测模块。本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术能高效率大功率输出并驱动TEC，本专利技术的Buck/Buck-Boost双模换流电路拓扑可根据温度信号动态地变换为Buck换流拓扑或Buck-Boost换流拓扑，而Buck换流拓扑和Buck-Boost换流拓扑都是可输出大功率且同时高效率转换的换流拓扑，因此本专利技术能够高效率大功率输出并驱动TEC对负载加热或制冷。2、本专利技术能够根据实际温度的变化自动变换输出电压电流的方向，从而使得TEC在实际温度低于设定温度时工作在加热状态，实际温度高于设定温度时工作在制冷状态。3、本专利技术的Buck/Buck-Boost双模换流拓扑是一种新型非线性开关换流拓扑，具有电路拓扑上的创新性，该拓扑既可输出正电压电流，也可输出负电压电流，这是目前其他电路拓扑不具备的能力。4、本专利技术的Buck/Buck-Boost双模换流拓扑既可动态调节输出电压的方向，也可同时动态独立调节Buck模式下的占空比和Buck-Boost模式下的占空比，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非隔离动态双模切换Buck/Buck‑Boost换流拓扑，其特征在于，该换流拓扑包括电源，与所述电源相连接的开关管，所述开关管通过电感和第二开关相连接，所述开关管的通断受到与其连接的开关驱动模块的控制；第四开关、电容和制冷片TEC并联后跨接在所述第二开关的另一端和电源负极之间；第一开关与二极管的阳极相连接后跨接在电源负极与所述电感的CA端之间；第三开关跨接于所述二极管的阳极与第四开关之间。

【技术特征摘要】
1.一种非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑，其特征在于，该换流拓扑包括电源，与所述电源相连接的开关管，所述开关管通过电感和第二开关相连接，所述开关管的通断受到与其连接的开关驱动模块的控制；第四开关、电容和制冷片TEC并联后跨接在所述第二开关的另一端和电源负极之间；第一开关与二极管的阳极相连接后跨接在电源负极与所述电感的CA端之间；第三开关跨接于所述二极管的阳极与第四开关之间。2.根据权利要求1所述的一种非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑，其特征在于，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关为三极管、MOS管、IGBT、或者继电器中的一种或者多种，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的通断受到与其连接的换向驱动模块的控制。3.一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括监测判断实际温度和设定温度，得到比较逻辑值；检测换流拓扑的工作模式，判断当前工作模式；根据所述比较逻辑值和当前模式判断的结果调整所述换流拓扑的工作状态。4.根据权利要求3所述的一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，其特征在于，所述换流拓扑的工作模式包括：当所述换流拓扑的第一开关和第二开关闭合，第三开关和第四开关打开时，该电路拓扑变换为Buck换流拓扑进入制冷模式，在开关驱动模块的作用下输出正向可调节幅度的电压电流；当所述换流拓扑的第一开关和第二开关打开，第三开关和第四开关闭合时，该电路拓扑变换为Buck-Boost换流拓扑进入加热模式，在开关驱动模块的作用下输出负向可调节幅度的电压电流。5.根据权利要求3所述的一种基于非隔离动态双模切换Buck/Buck-Boost换流拓扑的控制方法，其特征在于，所述根据所述比较逻辑值和当前模式判断的结果调节所述换流拓扑的工作状态，包括以下步骤：当比较逻辑值为实际温度大于设定温度时，当前模式为制冷模式时，则保持当前模式并调节制冷幅度；当前模式为加热模式时，则将所述换流拓扑切换为制冷模式并调节制冷幅度；当前模式为不工作时，则启动制冷模式并调节制冷幅度；当比较逻辑值为实际温度小于设定温度时，当前模式为加热模式时，则保持当前模式并调节加热幅度；当前模式为制冷模式时，则将所述换流拓扑切换为加热模式并调节加热幅度；...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘谈平，
申请(专利权)人：刘谈平，
类型：发明
国别省市：北京,11