专利名称：一种双管正激功率变换器的控制电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种功率变换器的控制电路，更具体地说，涉及一种双管正激功率变换器的控制电路及其控制方法。
背景技术：
随着新一代功率集成电子器件的不断出现，开关电源越来越广泛地应用于我们的日常生活。与传统的线性电源相比，开关电源的控制精度和效率都有了很大的提高。正激变换器是一种电路结构简单的隔离型DC-DC功率变换器，被广泛地应用于需要电气隔离的中小功率场合，诸如混合动力汽车、航空电源、新能源开发等各类直流开关电源。为了克服正激变换器的磁复位问题，已提出有源钳位、双管正激、谐振磁复位等各种拓扑结构形式的正激变换器。其中，双管正激变换器(DTFC)无需变压器磁芯复位电路，有着开关管应力低、 能够有效地避免桥臂直通等优点，因此获得了广泛地关注和研究。
提高双管正激变换器的效率、降低开关损耗等问题现已得到了深入地探讨，事实上，随着DC/DC功率变换器在供电电源中的应用越来越广泛，对其在大扰动信号下的动态响应要求也随之提高。这一问题现已引起了国内外学者的关注和研究，并得到一系列的研究成果，比如《A new current feedback fuzzy logic controller with extended state observer for DC-to-DC converters 》，Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2004. APEC ' 04. Nineteenth Annual IEEE, 2004 (3) : 1771 - 1777，文中将模糊逻辑控制理论应用到Boost变换器中；《Dynamic Response Optimization of Quantum Series-Parallel Resonant Converters Using Sliding Mode Control)), Power Electronics Specialists Conference, 2000, PESC'00. 2000 (2) : 702 - 707，文中提出了采用滑模控制方法提高QSPRC变换器的动态性能；《A New Digital Control Algorithm to Achieve Optimal Dynamic Response Performance in DC-to-DC Converters)), IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22 (4) : 1489 - 1498，文中提出了基于电容充放电平衡(Capacitor Balance Control CBC)控制算法，设计了一类控制器用于优化 Buck变换器的动态响应。虽然这些控制电路可以较好地改善功率变换器的动态响应，但它们都有至少一种下列弊端1)变化的开关频率；2)工作频率主要取决于输出电容的等效串联电阻(ESR) ；3)没有考虑到PWM信号受限时的情况，不能应用于隔离型的功率变换器。发明内容
要解决的问题针对现有技术的不足，本发明提供了一种双管正激功率变换器的控制电路及其控制方法，它适用于双管正激变换器的控制电路和控制算法，使其具有较高精度的稳态输出电压， 同时还具备良好的动态响应性能。
技术方案本发明的控制电路及其控制方法主要是采用复合控制的方法，在稳态时采用传统的PID模式控制稳定变换器的输出电压，而在动态过程中则采用非线性控制方法，通过坐标变换、预测方法实现输出电容的充放电平衡，从而提供快速的动态响应。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下一种双管正激功率变换器的控制电路，它包括开关管功率电路、储能变压器、同步整流电路、滤波电路、分压检测电路、差分放大电路、A/D转换电路以及数字控制器；所述的开关管功率电路⑴包括复位二极管D1、复位二极管D2、mos管S1和mos管S2，mos管S1的漏极 D与复位二极管D1的阴极连接，复位二极管D1的阳极与mos管&的漏极D连接，mos管& 的源极S与复位二极管&的阳极连接，复位二极管&的阴极与mos管S1的源极S连接；输入电压^in的正极与mos管S1的漏极D连接，输入电压％的负极与mos管&的源极S连接，并且负极同时接地；储能变压器原边的正端与mos管S1的源极S相连，其负端与mos管 S2的漏极D相连，储能变压器的副边、同步整流电路和滤波电路依次连接；所述的同步整流电路包括整流二极管D3和续流二极管D4,整流二极管D3的阳极连接所述储能变压器副边的正端，整流二极管D3的阴极分别连接续流二极管D4的阴极和滤波电路中输出电感L的一端；续流二极管D4的阳极接地，同时连接所述储能变压器副边的负端；所述的滤波电路包括输出电感L和输出电容C，输出电感L的一端连接输出电容C，输出电容C的另一端连接续流二极管D4的阳极，同时接地；负载R并联连接在输出电容C的两端。
所述分压检测电路包括电阻队和R2,电阻队和&串联后并联在负载R的两端；从电阻队与仏的连接处引出导线再依次与差分放大电路、A/D转换电路以及数字控制器串联， 数字控制器的输出端连接到所述开关管功率电路中的mos管S1和mos管&的源极S。
所述的差分放大电路由运算放大器O1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻&、稳压管W1 和电容C1组成，运算放大器O1的正端分别连接电阻R3和电阻R4,电阻R4另一端接地，电阻 R3另一端连接分压检测电路；运算放大器O1的负端通过电阻&串联连接稳压管W1后接地， 运算放大器O1的负端同时连接电阻&至运算放大器O1的输出端，运算放大器O1的输出端与A/D转换电路连接，电容C1并联在电阻&的两端。
所述的数字控制器采用FPGA数字控制芯片。
一种所述的双管正激功率变换器的控制电路的控制方法，其过程为由输出端输入在额定范围内变化的直流电压即输入电压rin，在储能变压器的副边产生交流电压信号， 通过同步整流电路整流成直流方波信号，再经过滤波电路在输出电容C两端形成稳定精度的输出电压tv功率变换器通过输出电感L和输出电容C两个储能元件向负载R传递能量； 分压检测电路测量输出电压κ。的实际值，与差分放大电路中稳压管W1两端的参考电压^ref 进行比较，得到的误差值经过运算放大器O1进行差分放大，经过A/D转换电路转化为相应的数字值，输入数字控制器，执行设定的CBC控制算法，产生PWM控制信号至开关管功率电路中的mos管S” S2的栅极，控制这两个mos管S” S2执行相应的开通和关断动作，进而控制滤波电路输出高精度、稳定的输出电压& ；其中，当功率变换器处于稳态工作时，数字控制器采用PID控制模式稳定输出电压κ。； 当分压检测电路检测到输出电压K的波动超过给定值，数字控制器将PID控制算法的参数和占空比信号保留，从PID控制模式切换到CBC控制模式，CBC控制模式具体步骤如下 1)所述数字控制器输出占空比为50%的DPWM信号，内部计数器开始计数；2)在间隔$时间段内采样输出电压，根据如下公式计算时间段_ :
权利要求
1.一种双管正激功率变换器的控制电路，其特征在于，它包括开关管功率电路(1)、储能变压器(2)、同步整流电路(3)、滤波电路(4)、分压检测电路(5)、差分放大电路(6)、A/D 转换电路(7)以及数字控制器(8)；所述的开关管功率电路(1)包括复位二极管D1、复位二极管D2、mos管S1和mos管S2, mos管S1的漏极D与复位二极管D1的阴极连接，复位二极管D1的阳极与mos管&的漏极D 连接，mos管&的源极S与复位二极管&的阳极连接，复位二极管&的阴极与mos管S1的源极S连接；输入电压％的正极与mos管S1的漏极D连接，输入电压。的负极与mos管 S2的源极S连接，并且负极同时接地；储能变压器(2)原边的正端与mos管S1的源极S相连，其负端与mos管&的漏极D相连，储能变压器(2)的副边、同步整流电路(3)和滤波电路(4)依次连接；所述的同步整流电路(3)包括整流二极管D3和续流二极管D4，整流二极管D3的阳极连接所述储能变压器(2)副边的正端，整流二极管D3的阴极分别连接续流二极管D4的阴极和滤波电路(4)中输出电感L的一端；续流二极管D4的阳极接地，同时连接所述储能变压器 (2)副边的负端；所述的滤波电路(4)包括输出电感L和输出电容C，输出电感L的一端连接输出电容 C，输出电容C的另一端连接续流二极管D4的阳极，同时接地；负载R并联连接在输出电容 C的两端；所述分压检测电路(5)包括电阻R1和&，电阻R1和&串联后并联在负载R的两端；从电阻礼与&的连接处引出导线再依次与差分放大电路(6)、A/D转换电路(7)以及数字控制器(8)串联，数字控制器(8)的输出端连接到所述开关管功率电路(1)中的mos管S1和 mos管&的源极S。
2.根据权利要求1所述的一种双管正激功率变换器的控制电路，其特征在于所述的差分放大电路(6)由运算放大器Op电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、稳压管W1和电容C1组成，运算放大器O1的正端分别连接电阻R3和电阻R4,电阻R4另一端接地，电阻R3另一端连接分压检测电路(5)；运算放大器O1的负端通过电阻&串联连接稳压管巧后接地，运算放大器O1的负端同时连接电阻&至运算放大器O1的输出端，运算放大器O1的输出端与A/D 转换电路(7)连接，电容C1并联在电阻&的两端。
3.根据权利要求1或2所述的一种双管正激功率变换器的控制电路，其特征在于所述的数字控制器(8)采用FPGA数字控制芯片。
4.一种如权利要求1所述双管正激功率变换器的控制电路的控制方法，其过程为由输出端输入在额定范围内变化的直流电压即输入电压rin，在储能变压器(2)的副边产生交流电压信号，通过同步整流电路(3 )整流成直流方波信号，再经过滤波电路(4 )在输出电容 C两端形成稳定精度的输出电压tv功率变换器通过输出电感L和输出电容C两个储能元件向负载R传递能量；分压检测电路(5)测量输出电压κ。的实际值，与差分放大电路(6)中稳压管W1两端的参考电压^f进行比较，得到的误差值经过运算放大器O1进行差分放大，经过A/D转换电路(7)转化为相应的数字值，输入数字控制器(8)，执行设定的CBC控制算法， 产生PWM控制信号至开关管功率电路(1)中的mos管Sp S2的栅极，控制这两个mos管S” S2执行相应的开通和关断动作，进而控制滤波电路(4)输出输出电压& ；其中，当功率变换器处于稳态工作时，数字控制器(8)采用PID控制模式稳定输出电压V0 ；当分压检测电路(5)检测到输出电压K。的波动超过给定值，数字控制器(8)将PID控制算法的参数和占空比信号保留，从PID控制模式切换到CBC控制模式，CBC控制模式具体步骤如下1)所述数字控制器(8)输出占空比为50%的DPWM信号，内部计数器开始计数；2)在间隔I时间段内采样输出电压 ，根据如下公式计算时间段‘(1-1)h = -2v^ (1-2) n 21其中a为中间参数，Ts为功率变换器的开关频率，为在A点和B点测量的输出电压值，C为输出电容值、力输出电感L电流的上升斜率，/7为变压器的变比，是输入电压，K0是输出电压，L是输出电感值；3)按照如下关系式计算时间段tg^礙，Hli(1"3)其中Ai为输出电感L电流的上升斜本τ力输出电感L电流的下降速率Jq = ^^, ft, = ^(1-4)^ 21jI公式中，为变压器的变比，~为输出电感L电流的下降速率，Kin是输入电压，K。是输出电压，L是输出电感值；4)计数器计数时间等于时间段ΓΧ时，数字控制器(8)输出占空比为0%的DPWM信号， 继续计数；5)计数器计数时间等于时间段《+ζ'+ g时，重置PID控制算法的参数和占空比信号， 切换回PID控制模式。
全文摘要
本发明涉及一种功率变换器的控制电路，公开了一种双管正激功率变换器的控制电路及其控制方法。一种双管正激功率变换器的控制电路，它包括开关管功率电路、储能变压器、同步整流电路、滤波电路、分压检测电路、差分放大电路、A/D转换电路以及数字控制器；一种双管正激功率变换器的控制电路的控制方法，当功率变换器处于稳态工作时，数字控制器采用PID控制模式稳定输出电压；当分压检测电路检测到输出电压的波动超过给定值，数字控制器将PID控制算法的参数和占空比信号保留，从PID控制模式切换到CBC控制模式。本发明在双管正激变换器控制电路中得到了广泛地应用，适用于任意隔离型的DC/DC功率变换器。
文档编号H02M3/335GK102522899SQ201110458878
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者刘晓东, 刘雁飞, 方炜 申请人:安徽工业大学