一种基于能量控制的直流升压电源制造技术

本发明专利技术公开了一种基于能量控制的直流升压电源，包括主电路和控制电路，主电路为标准Boost电路；控制电路包括电感电流检测电路、电容电压检测电路、输出电流检测电路、负载辨识电路、控制电压计算电路、控制电流计算电路、关断时间计算电路、关断时间内外部电源输出能量计算电路、关断时间内电路输出能量计算电路、电感能量变化计算电路、电容能量变化计算电路、运算电路、条件驱动电路，本发明专利技术提出的直流升压电源的控制电路，在控制过程中，将电感、电容、负载、外部输入、调节时间都纳入控制策略中，利用能量平衡的原理直接实现输出电压控制，无需传统PID控制器中的控制器参数设计和调试过程，因此方法简单、易于实现。

A DC boost power supply based on energy control

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量控制的直流升压电源
本专利技术涉及一种以电路中的能量关系为判据实现输出电压控制的直流升压电源技术，属于直流电源

技术介绍
随着数字电路电源电压的电压调节标准变得更加严格，对高动态性能功率转换器的需求也在增加。到目前为止，PID控制器仍然是转换器最常用的控制方法之一。经典PID控制的原理简单，具有适应能力强、控制器设计简单和控制成本低等优点。但是也具有局限性，首先，PID控制器的结构不够完善，积分和微分环节易出现饱和现象，且微分环节对噪声敏感，抗干扰能力差。其次，基于PID的输出反馈控制的目的是基于目标误差而不是基于模型的控制，动态响应较慢、控制效果较差。因此需要借助新的控制技术来改善直流电源的动态性能。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种无需传统PID控制器中的控制器参数设计和调试过程、方法简单、易于实现、动态性能更好的基于能量控制的直流升压电源。为解决上述技术问题，本专利技术的一种基于能量控制的直流升压电源，包括主电路和控制电路，主电路为标准Boost电路，包括电力电子器件M1、电感L1、电容C1、续流二极管D1；控制电路包括电感电流检测电路1、电容电压检测电路2、输出电流检测电路3、负载辨识电路4、控制电压计算电路5、控制电流计算电路6、关断时间计算电路7、关断时间内外部电源输出能量计算电路8、关断时间内电路输出能量计算电路9、电感能量变化计算电路10、电容能量变化计算电路11、运算电路12、条件驱动电路13；电感电流检测电路1对主电路中电感L1的电流进行检测，电感电流检测电路1的输出端分别与关断时间计算电路7、关断时间内外部电源输出能量计算电路8和电感能量变化计算电路10的对应输入端连接；电容电压检测电路2并联在主电路电容C1的两端，对输出电压进行检测，电容电压检测电路2的输出端分别与负载辨识电路4、关断时间计算电路7、关断时间内电路输出能量计算电路9、电容能量变化计算电路11、条件驱动电路13的对应输入端连接；输出电流检测电路3对主电路的输出电流进行检测，输出电流检测电路3的输出端与负载辨识电路4的对应输入端连接；负载辨识电路4计算并输出负载等效电阻值R，负载辨识电路4的输出端分别与控制电压计算电路5、控制电流计算电路6、关断时间内电路输出能量计算电路9的对应输入端连接；外界提供的电源输出电压给定值Uref分别接至控制电压计算电路5、控制电流计算电路6的对应输入端；稳态工作时的开关频率给定值f分别接至控制电压计算电路5、控制电流计算电路6的对应输入端；控制电压计算电路5的输出端分别与关断时间内电路输出能量计算电路9、电容能量变化计算电路11、条件驱动电路13的对应输入端连接；控制电流计算电路6的输出端分别与关断时间计算电路7、关断时间内外部电源输出能量计算电路8、电感能量变化计算电路10的对应输入端连接；关断时间计算电路7的输出端分别与关断时间内外部电源输出能量计算电路8、关断时间内电路输出能量计算电路9、条件驱动电路13的对应输入端连接；关断时间内外部电源输出能量计算电路8的输出端与运算电路12的对应输入端连接；关断时间内电路输出能量计算电路9的输出端与运算电路12的对应输入端连接；电感能量变化计算电路10的输出端与运算电路12的对应输入端连接；电容能量变化计算电路11的输出端与运算电路12的对应输入端连接；运算电路12的输出与条件驱动电路13的对应输入端连接；条件驱动电路13的输出端与主电路中电力电子器件M1的控制端连接。本专利技术的一种改进方案，外部输入端增加输入电压传感器14，输入电压传感器14的输出端分别接至控制电流计算电路6、关断时间计算电路7、关断时间内外部电源输出能量计算电路8、条件驱动电路13的对应输入端。本专利技术还包括：1.负载等效电阻值R满足：其中，uo为输出电压，io为输出电流。2.控制电压计算电路5根据输出电压给定值Uref、开关频率给定值f、负载等效电阻值R，主电路电容C1的电容值C计算并输出控制电压ucon，ucon满足：ucon为在考虑电压纹波的前提下输出电压所允许的最大幅值。3.所述控制电流计算电路6计算并输出控制电流icon，icon满足：icon为保证主电路性能的电感电流的下限参考值，Uref是根据输出电压给定值，f是开关频率给定值，R是负载等效电阻值，Uin是已知的主电路输入端的直流电压，L是主电路电感L1的电感值。4.所述关断时间计算电路7计算并输出电感电流下降至控制电流需要的关断时间toff，toff满足：其中，iL是电感电流检测电路1检测出的电感电流，uo是电容电压检测电路2检测出的输出电压，当toff小于零则令关断时间等于零。5.所述关断时间内外部电源输出能量计算电路8根据关断时间计算电路7的关断时间信息计算并输出关断时间内外部电源提供的输入能量Win，假设在当前时刻开始电力电子器件M1关断toff时长，则Win满足：6.关断时间内电路输出能量计算电路9根据关断时间计算电路7的关断时间信息计算并输出关断时间内主电路的输出能量Wout，假设在当前时刻开始电力电子器件M1关断toff时长，则Wout满足：其中，负号表明此输出能量是被负载消耗掉的。7.电感能量变化计算电路10计算并输出电感能量变化量ΔWL，ΔWL满足：所述电容能量变化计算电路11计算并输出电容能量变化量ΔWC，ΔWC满足：8.运算电路12对关断时间内外部电源输出能量计算电路8、关断时间内电路输出能量计算电路9、电感能量变化计算电路10、电容能量变化计算电路11的输出信号进行加法运算，将加法运算结果作为能量判据传送至条件驱动电路13；条件驱动电路13根据输入信号完成以下逻辑判断和输出控制：当主电路的输出电压小于主电路输入端的外部电源电压，即uo<Uin时，输出频率为开关频率给定值f、定占空比的驱动信号；当主电路的输出电压大于等于外部电源电压，且小于等于控制电压时，即Uin≤uo≤ucon，若toff>0，则在运算电路12计算出的能量判据大于等于零的时刻，条件驱动电路13输出低电平，令电力电子器件M1关断，并且在后续根据此时计算出的toff时间长度内保持输出为低电平不变，并且在此期间条件驱动电路13停止逻辑判断，直至toff时长的延时结束再重新进行判断和输出控制，在其他情况下条件驱动电路13的输出为高电平；当uo>ucon时，条件驱动电路13的输出保持为低电平。本专利技术有益效果：本专利技术针对基于传统PID控制策略设计的Boost型直流电源存在的动态性能较差的问题，提出了一种新的控制策略，并设计出具体的控制电路，用于改善Boost电路的动态性能。(1)本专利技术提出的直流升压电源的控制电路，在控制过程中，将电感、电容、负载、外部输入、调节时间都纳入控制策略中，利用能量平衡的原理直接实现输出电压控制，无需传统PID控制器中的控制器参数设计和调试过程，因此方法简单、易于实现。(2)本专利技术提出的直流升压电源的控制电路，在动态过程中，根据电路中的能量关系，直接控制电力电子器件的导通或关断，加快了能量流动，缩短了输出电压的调节时间，提升了电源的动态性能。(3)本专利技术提出的直流升压电源的控制电路，在控制过程中充分考虑了电感和电容的储能变化，因此可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能量控制的直流升压电源，包括主电路和控制电路，其特征在于：主电路为标准Boost电路，包括电力电子器件M1、电感L1、电容C1、续流二极管D1；控制电路包括电感电流检测电路(1)、电容电压检测电路(2)、输出电流检测电路(3)、负载辨识电路(4)、控制电压计算电路(5)、控制电流计算电路(6)、关断时间计算电路(7)、关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)、关断时间内电路输出能量计算电路(9)、电感能量变化计算电路(10)、电容能量变化计算电路(11)、运算电路(12)、条件驱动电路(13)；电感电流检测电路(1)对主电路中电感L1的电流进行检测，电感电流检测电路(1)的输出端分别与关断时间计算电路(7)、关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)和电感能量变化计算电路(10)的对应输入端连接；电容电压检测电路(2)并联在主电路电容C1的两端，对输出电压进行检测，电容电压检测电路(2)的输出端分别与负载辨识电路(4)、关断时间计算电路(7)、关断时间内电路输出能量计算电路(9)、电容能量变化计算电路(11)、条件驱动电路(13)的对应输入端连接；输出电流检测电路(3)对主电路的输出电流进行检测，输出电流检测电路(3)的输出端与负载辨识电路(4)的对应输入端连接；负载辨识电路(4)计算并输出负载等效电阻值R，负载辨识电路(4)的输出端分别与控制电压计算电路(5)、控制电流计算电路(6)、关断时间内电路输出能量计算电路(9)的对应输入端连接；外界提供的电源输出电压给定值Uref分别接至控制电压计算电路(5)、控制电流计算电路(6)的对应输入端；稳态工作时的开关频率给定值f分别接至控制电压计算电路(5)、控制电流计算电路(6)的对应输入端；控制电压计算电路(5)的输出端分别与关断时间内电路输出能量计算电路(9)、电容能量变化计算电路(11)、条件驱动电路(13)的对应输入端连接；控制电流计算电路(6)的输出端分别与关断时间计算电路(7)、关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)、电感能量变化计算电路(10)的对应输入端连接；关断时间计算电路(7)的输出端分别与关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)、关断时间内电路输出能量计算电路(9)、条件驱动电路(13)的对应输入端连接；关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)的输出端与运算电路(12)的对应输入端连接；关断时间内电路输出能量计算电路(9)的输出端与运算电路(12)的对应输入端连接；电感能量变化计算电路(10)的输出端与运算电路(12)的对应输入端连接；电容能量变化计算电路(11)的输出端与运算电路(12)的对应输入端连接；运算电路(12)的输出与条件驱动电路(13)的对应输入端连接；条件驱动电路(13)的输出端与主电路中电力电子器件M1的控制端连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于能量控制的直流升压电源，包括主电路和控制电路，其特征在于：主电路为标准Boost电路，包括电力电子器件M1、电感L1、电容C1、续流二极管D1；控制电路包括电感电流检测电路(1)、电容电压检测电路(2)、输出电流检测电路(3)、负载辨识电路(4)、控制电压计算电路(5)、控制电流计算电路(6)、关断时间计算电路(7)、关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)、关断时间内电路输出能量计算电路(9)、电感能量变化计算电路(10)、电容能量变化计算电路(11)、运算电路(12)、条件驱动电路(13)；电感电流检测电路(1)对主电路中电感L1的电流进行检测，电感电流检测电路(1)的输出端分别与关断时间计算电路(7)、关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)和电感能量变化计算电路(10)的对应输入端连接；电容电压检测电路(2)并联在主电路电容C1的两端，对输出电压进行检测，电容电压检测电路(2)的输出端分别与负载辨识电路(4)、关断时间计算电路(7)、关断时间内电路输出能量计算电路(9)、电容能量变化计算电路(11)、条件驱动电路(13)的对应输入端连接；输出电流检测电路(3)对主电路的输出电流进行检测，输出电流检测电路(3)的输出端与负载辨识电路(4)的对应输入端连接；负载辨识电路(4)计算并输出负载等效电阻值R，负载辨识电路(4)的输出端分别与控制电压计算电路(5)、控制电流计算电路(6)、关断时间内电路输出能量计算电路(9)的对应输入端连接；外界提供的电源输出电压给定值Uref分别接至控制电压计算电路(5)、控制电流计算电路(6)的对应输入端；稳态工作时的开关频率给定值f分别接至控制电压计算电路(5)、控制电流计算电路(6)的对应输入端；控制电压计算电路(5)的输出端分别与关断时间内电路输出能量计算电路(9)、电容能量变化计算电路(11)、条件驱动电路(13)的对应输入端连接；控制电流计算电路(6)的输出端分别与关断时间计算电路(7)、关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)、电感能量变化计算电路(10)的对应输入端连接；关断时间计算电路(7)的输出端分别与关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)、关断时间内电路输出能量计算电路(9)、条件驱动电路(13)的对应输入端连接；关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)的输出端与运算电路(12)的对应输入端连接；关断时间内电路输出能量计算电路(9)的输出端与运算电路(12)的对应输入端连接；电感能量变化计算电路(10)的输出端与运算电路(12)的对应输入端连接；电容能量变化计算电路(11)的输出端与运算电路(12)的对应输入端连接；运算电路(12)的输出与条件驱动电路(13)的对应输入端连接；条件驱动电路(13)的输出端与主电路中电力电子器件M1的控制端连接。2.根据权利要求1所述的一种基于能量控制的直流升压电源，其特征在于：外部输入端增加输入电压传感器(14)，输入电压传感器(14)的输出端分别接至控制电流计算电路(6)、关断时间计算电路(7)、关断时间内外部电源输出能量计算电路(8)、条件驱动电路(13)的对应输入端。3.根据权利要求1或2所述的一种基于能量控制的直流升压电源，其特征在于：所述负载等效电阻值R满足：其中，uo为输...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，魏家植，何昕，李鸿凯，李梦滢，年强，王禹霖，宋世豪，
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