無光耦隔離的數字dc/dc反激變換器及控制方法

2023-06-06 13:22:06

專利名稱：無光耦隔離的數字dc/dc反激變換器及控制方法
技術領域：
本發明屬於數字控制技術，特別涉及一種無光耦隔離的數字 DC/DC反激變換器及電路。
背景技術：
隔離式開關變換器可以保護負載免遭輸入母線的高電壓沖擊和 損壞，在電信無線網絡、汽車和醫療設備中具有廣泛的應用。由於反 激變換器拓樸無輸出濾波電感，電路結構簡單、輸出隔離、在終端設 備的應用中佔有很高的比例。
隔離式變換器中輸出電壓的取樣信號可採用光耦反饋和磁反饋 兩種方式。
現有技術中應用最多的是光耦隔離，光耦反饋速度快、電路設計 簡單、成本低。但由於光耦的電流傳輸比隨溫度、輻射等外部環境因 素變化較大，器件的長期穩定性較差，在環境溫差大、散熱封閉的應 用場合受到^f艮大的限制。
目前已經產品化的》茲反饋方式有隔離反饋發生器和射頻隔離器， 但是電路設計複雜、應用成本較高，不適合小功率應用場合。
傳統的反激變換器因為受輸出整流二極體壓降的限制，輸出60W 以上的功率時，整流二極體將耗散過多的熱量，輸出效率低，電路工 作溫度將接近或超過安全限值，電源的可靠性差，在大功率輸出時必 須採用其它的拓樸結構，增加了電路設計的複雜度。

發明內容
為了解決現有技術中存在的光耦反饋隔離式變換器中光耦的電 流傳輸比隨溫度、輻射等外部環境的不同變化較大，器件的長期穩定 性較差，應用場合受限；採用隔離反饋發生器和射頻隔離器的電路設 計複雜、應用成本較高，不適合小功率應用場合；傳統的反激變換器 受輸出整流二極體壓降的限制，導致整流二極體耗散熱量過大，輸出 效率低，電路工作溫度高，電源可靠性差等技術問題，本發明提供了 一種無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器。為了解決現有模擬控制迴路中元器件老化、溫漂引起環路不穩 定、控制器參數和輸出電壓不易調節等問題。本發明採用數字控制實
現閉環調節，還提供了一種無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器的 4空制方法。
本發明解決現有技術問題所採用的技術方案為提供一種無光耦 隔離的數字DC/DC反激變換器，所述無光耦隔離的數字DC/DC反激 變換器包括數字控制單元、原邊開關單元、輸入母線單元、隔離變 壓單元、副邊整流單元、隔離驅動單元、儲能濾波單元和負載，其中 所述數字控制單元分別與所述原邊開關單元和所述隔離驅動單元連 接；所述原邊開關單元與所述隔離變壓單元連接；所述隔離變壓單元 分別與所述輸入母線單元和所述副邊整流單元連接；所述隔離驅動單 元與所述副邊整流單元連接；所述副邊整流單元、所述儲能濾波單元 和所述負載依次連接。
根據本發明的 一優選實施例所述數字控制單元為數字控制器； 所述原邊開關單元為原邊控制管、所述隔離變壓單元為隔離變壓器、 所述副邊整流單元為副邊整流管、所述隔離驅動單元為隔離驅動器、 所述儲能濾波單元為儲能濾波電容。
根據本發明的一優選實施例所述數字控制器包括ADC採樣模 塊、控制算法模塊、時序控制模塊、DPWM模塊和通信模塊；其中 ADC採樣模塊與所述控制算法模塊連接，所述控制算法模塊與所述 時序控制模塊連接，所述時序控制模塊與所述DPWM模塊連接。
根據本發明的一優選實施例所述隔離變壓單元一隔離變壓器為 單路輸出或多路輸出。
根據本發明的一優選實施例所述單路輸出時所述隔離變壓單元 一隔離變壓器至少包括三個繞組。
根據本發明的一優選實施例所述三個繞組為原邊繞組、副邊繞 組和反々貴繞組。
根據本發明的一優選實施例所述多路輸出為N路輸出時，所 述隔離變壓器包括N個所述副邊繞組和與所述N個副邊繞組相對應 連接的N條輸出支路，所述輸出支路包括依次連接的所述副邊整流
單元(4)、所述濾波單元(6)和所述負載(7)。
根據本發明的一優選實施例所述變換器為N (N>1)路穩壓輸 出時，通過原邊調整得到預穩的中間母線，所述輸出支路包括N個 後級調整單元。
為了解決本發明現有技術問題本發明還提供了 一種數字DC/DC 反激變換器控制方法，所述數字DC/DC反激變換器控制方法包括步 驟第一、當為輕載，輸出最小佔空比，進入下一個開關周期；否則 進入第二步；第二、在所述原邊開關單元(2)的後半個開關周期內， 延時後進行所述反饋線圏電壓的ADC釆樣；第三、將所述ADC的 採樣值與基準值作差，得到當前開關周期的誤差值；第四、將所述誤 差和初始值代入PID算法中，計算新的佔空比；第五、輸出新的佔空 比，進入下一個開關周期。
本發明通過在隔離變壓單元中增加一個反饋繞組對輸出電壓取 樣，而不用光耦進行反饋，避免了光耦電流傳輸比隨溫度發生非線性 漂移而帶來輸出電壓不穩定的問題，副邊整流單元採用MOSFET管 代替整流二極體，提高了反激變換器的輸出功率；並採用數位技術實 現閉環控制，克服了模擬控制迴路元器件老化和溫漂引起環路不穩 定、控制器參數和輸出電壓不易調節等問題，具有可靠性高、設計靈 活等優點。


圖l.本發明無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器及控制方法中 無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器原理框圖； 圖2.輔助繞組電壓波形示意圖； 圖3.反饋線圈波形與採樣時序對比關係圖； 圖4.反饋線圏兩端波形與原邊開關管驅動信號波形圖； 圖5.輸出電壓波形圖6.只有主路為精確穩壓的多路輸出反激變換器的原理框圖； 圖7.各路都精確穩壓的多路輸出反激變換器的原理框圖； 圖8.無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器的電路原理具體實施例方式
以下結合附圖對本發明進行說明
請參閱圖1本發明無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器及其設 計方法中無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器原理框圖，如圖l所 示，本發明一種無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器，所述無光耦 隔離的數字DC/DC反激變換器包括數字控制單元1、原邊開關單 元2、輸入母線單元17、隔離變壓單元3、副邊整流單元4、隔離驅 動單元5、儲能濾波單元6和負載7，其中所述數字控制單元1分別 與所述原邊開關單元2和所述隔離驅動單元5連接；所述原邊開關單 元2與所述隔離變壓單元3連接；所述隔離變壓單元3分別與所述輸 入母線單元17和所述副邊整流單元4連接；所述隔離驅動單元5與 所述副邊整流單元4連接；所述副邊整流單元4、所述儲能濾波單元 6和所述負栽7依次連接。
在本發明中所述數字控制單元l為數字控制器；所述原邊開關 單元2為原邊控制管、所述隔離變壓單元3為隔離變壓器、所述副邊 整流單元4為副邊整流管、所述隔離驅動單元5為隔離驅動器、所述 儲能濾波單元6為儲能濾波電容。其中，所述數字控制器1包括ADC 釆樣模塊11、控制算法模塊12、時序控制模塊13、 DPWM模塊14 和通信模塊；其中ADC採樣模塊11與所述控制算法模塊12連接， 所述控制算法模塊12與所述時序控制模塊13連接，所述時序控制模 塊13與所述DPWM沖莫塊14連接。
以下結合實施例對本發明進行展開說明
當所述原邊開關管2導通時，所述副邊整流管4截止，能量儲存 在所述隔離變壓器3中，所述負載7從副邊的儲能濾波電容6中吸收 電流；當所述原邊開關管2關斷時，所述副邊整流管4導通，所述隔 離變壓器3將能量輸出到負載7中。在所述原邊開關管2關斷期間， 所述副邊繞組19的電壓等於輸出電壓與二極體導通之和，因此所述 隔離變壓器3上繞組的電壓由副邊輸出電壓決定，而所述輔助繞組將 通過磁耦合得到輸出電壓的反饋信息。在所述原邊開關管2開關關斷 時，原邊佔空比與所述副邊繞組19的電壓波形如說明書圖2反饋繞
組電壓波形示意圖所示。在所述原邊開關管2關斷(即反激期間)時，
所述隔離變壓器3的漏感會導致出現一個較高的電壓尖峰，因此所述
數字控制器1的採樣時刻必須在漏感尖峰之後才能得到較為準確的 輸出電壓的信息。
反饋線圈的反激脈沖電壓值與輸出電壓、輸出電流的關係為
vD—為副邊整流管4的導通壓降；
ESR為副邊儲能濾波電容6的串聯等效電阻;
Is6C一為副邊輸出電流，即負載7電流；
V。u「一輸出電壓；
NSF~副邊繞組19弓反饋繞組16的臣比。
根據所述隔離變壓器副邊繞組19與所述反饋繞組16的匪比關 系，所述數字控制器l將得到的反饋電壓的真實值，與基準值作差得 到當前誤差，輸入到控制算法中計算出下一個開關周期的佔空比。其 中基準值是在數字控制器內部由軟體預先設定的。
為了防止原邊開關管2和副邊整流管4之間出現直通，根據所述 原邊開關管2的速度特性，原邊開關管2和副邊整流管4的佔空比之 間必須保留適當的死區時間，保證不出現直通現象，但是死區時間過 長會影響轉換效率。
所述數字控制器1中的所述時序控制模塊13主要完成軟啟動、 採樣延時控制、死區時間的控制和輸出保護功能。變換器上電後，數 字控制器進入開環軟啟動，輸出的佔空比(DPWM信號)從零開始 線性增加，當檢測到的反饋信號接近預設的基準值時，進入閉環調節。 輸出電壓的採樣根據反饋線圈的尖峰位置進行延時，同時保證輸出給 原邊開關管2和副邊整流管4之間有適當的死區時間。當輸出電壓超 過設定的閾值時，輸出佔空比為零。
所述隔離變壓器3的匝比設計與所述原邊開關管2的佔空比相 關，佔空比影響所述原邊開關管2的電流和電壓應力，輸入、輸出電 容的平均電流和所述隔離變壓器3的利用率。為了避免增加所述原邊
開關管2開關的電流應力，在額定輸入電壓時，佔空比維持在50% 左右是比較理想的。在多路輸出的情況下，如果只需要對輸出功率最 大的一路採用精確調整，其副邊的整流單元採用MOSFET管，反饋 線圈的電壓信號為該路輸出電壓的取樣，而其它各路的輸出功率較 小，不進行精確調節，副邊整流單元4採用二極體，但匝比應儘可能 的與輸出電壓之比嚴格相等，保證輸出電壓有較高的精度。
如果需要多路精確穩壓，可以通過原邊調整得到一個預穩的中間 母線，再進行後級調整。
所述隔離變壓器3的漏感包括原邊漏感和副邊漏感，在原邊開關 關2斷時，漏感將會引起較大的開關尖峰，當負載7電流較大時會消 耗更多的能量，影響系統的轉換效率，而且反激電壓過高時會擊穿 MOSFET管。減小漏感的一種解決方案是採用吸收電路來抑制電壓 尖峰。但是吸收電路會增加反激電壓(尖峰)的脈沖寬度，如果此脈 衝寬度超過了釆樣延時時間，所述數字控制器1將得到不正確的反饋 信號，影響輸出電壓的調節。因此，吸收電路的設計應該箝位足夠高 的電壓，使漏感尖峰的持續時間越小越好。 一般情況下，漏感小於 10%時需要加吸收電路，如果漏感超過10%,則在負載7電流較大 時輸出電壓的調整誤差有可能引起輸出失控。
由於輕載時原邊佔空比非常小，反激電壓持續的時間很短，當所 述主控制器1為了避開漏感尖峰而延時後得到的反饋信號為零或很 小，下一個開關周期的佔空比將很大，導致閉環響應失控，輸出電壓 過沖。因此設計中必須設定最小導通時間，當輸出負載7很輕時(通 過輸入電流判斷負載7)，所述數字控制器1將不再執行延時採樣程 序，而是輸出最小佔空比，保證能夠檢測到可用的輸出電壓信息和控 制環路的穩定。
本發明中副邊整流環節採用MOSFET開關管代替二極體，可以 大大降低整流損耗，使整流管安全的工作在較低的溫度條件下，能夠 滿足較高功率輸出時的拓樸結構要求，使傳統反激式拓樸結構的負載 7電流輸送能力提高數倍，但是副邊整流管4必須採用高邊隔離驅動 器進行驅動。所述數字控制器1具有靈活的通信接口，可根據開關頻率、開關 管的開關速度調整採樣延時時間和兩個開關管之間的死區時間，同時 還可以根據具體的負載7情況設定最小佔空比。
在本發明圖1無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器原理框圖的 基礎上，如果所述隔離變壓單元3為多路輸出時，而且電路只有主路 為精確穩壓的多路輸出反激變換器的原理框圖可參閱圖6，本電路原 理圖在本發明無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器電路原理圖的基 礎上，當所述多路輸出為N (N大於1 )路輸出時，所述隔離變壓器 3包括N個所述副邊繞組19和與所述N個副邊繞組19相對應連接 的N條輸出支路，所述輸出支路包括依次連接的所述副邊整流單元4、 所述濾波單元6和所述負載7。
各路都精確穩壓的多路輸出反激變換器的原理框圖可以參閱圖 7，如圖7所示本電路原理圖在本發明無光耦隔離的數字DC/DC反激 變換器電路原理圖的基礎上，當所述多路輸出為N路輸出多路穩壓 時，通過原邊調整得到預穩的中間母線，所述輸出支路包括副邊整流 單元4、濾波單元6，還包括N個(N>1)後級調整單元20,所述後 級調整單元20與所述濾波單元6連接。
本發明無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器的電路原理圖可以 參閱圖8，如圖8所示，上電時，數字控制器首先進入軟啟動，輸出 互補的DPWM信號，再分別經過TC4420驅動器U2、 TC4420驅動 器U3和隔離變壓器T2驅動原邊開關管Ml和副邊開關管M2。當所 述原邊開關管M1導通時所述副邊開關管M2關斷，輸入母線Vin通 過原邊繞組Lp對隔離變壓器Tl充電，能力儲存再隔離變壓器T1中， 負載7RL由電容C2放電提供電流；當所述原邊開關管Ml關斷而所 述副邊開關管M2導通時，所述隔離變壓器T1中的能量通過所述副 邊繞組Ls和所述副邊開關管M2對電容C2和負載7進行充電。反饋 繞組Lf的電壓通過電阻Rl和電阻R2分壓之後輸入到數字控制器中 進行採樣，並計算下一個開關周期的佔空比。
為了解決本發明現有技術問題本發明還提供了 一種數字DC/DC 反激變換器控制方法，所述數字DC/DC反激變換器控制方法包括步
驟第一、當為輕載，輸出最小佔空比，進入下一個開關周期；否則 進入第二步；第二、在所述原邊開關單元(2)的後半個開關周期內， 延時後進行所述反饋線圈電壓的ADC採樣；第三、將所述ADC的 採樣值與基準值作差，得到當前開關周期的誤差值；第四、將所述誤 差和初始值代入PID算法中，計算新的佔空比；第五、輸出新的佔空 比，進入下一個開關周期。
其中，所述第二步中延時時間可根據實際的開關頻率和實驗結果 進行測量和估算，對延時時間的估算可參考附圖2,當變換器為額定 輸入電壓、額定輸出負載時，用示波器測量其反饋繞組的波形，在越 過漏感尖峰(即延時Td勿)和0.8V嫩之間且信號比較穩定的時刻進 行採樣，起始時刻由開關周期(開關頻率的倒數)減去延時時間得到。
其中，所述第四步中佔空比的計算公式為
complex formula see original document page 11其中，u(n)為第n個開關周期的佔空比；e(n)為第n個開關周期 的誤差；e(k)為第k個開關周期的誤差；u(0)為零時刻的佔空比，Kp、 K。 Ko分別為比例、積分、孩麼分係數。
本發明中採用數字控制方式實現的反激變換器具有以下特點
一、 通過採用隔離變壓器3的反饋繞組16將副邊輸出電壓的信 息反饋到原邊控制器中，實現無光耦的隔離^J齎；
二、 適用於寬電壓範圍輸入母線，單路輸出時，通過調整原邊可 使副邊電壓穩定，多路精確穩壓輸出時，可以使副邊母線得到一個合 理的預穩電壓，後級調整更方便，有利於提高效率；
三、 無需光耦器件實現隔離輸出，輸出電壓的採樣信號在每個開 關周期結束時即可反^t到原邊，數字控制器1具有更快的動態響應速 度。
四、 輸出兩路死區可編程的互補控制信號，副邊整流方案設計靈 活，同步整流可以提高傳統反激變換器的輸出功率和效率。
五、 數字控制的方式解決了現有模擬控制迴路中元器件老化、溫 漂引起環路不穩定、控制器參數和輸出電壓不易調節等問題；還可根 據開關頻率、開關管的開關速度和負載7情況調整採樣延時時間、死 區時間和最小佔空比，設計靈活，可靠性高。
經實驗驗證，本發明設計方法正確，方案切實可行,'實際測得電 源效率可達83%，實驗中測得的反饋繞組的採樣時序如說明書附圖3 所示，其中，通道一為反饋繞組的電壓波形，通道二的信號上升沿為 開始採樣時刻，反^f繞組電壓波形與原邊開關管驅動信號的對比波形 如說明書附圖4所示，其中通道一為反饋線圏的電壓信號，通道二為 原邊開關管的驅動信號；輸出電壓波形如說明書附圖5所示。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一 步詳 細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明 所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下， 還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範 圍。
權利要求
1.一種無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器，其特徵在於所述無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器包括數字控制單元(1)、原邊開關單元(2)、輸入母線單元(17)、隔離變壓單元(3)、副邊整流單元(4)、隔離驅動單元(5)、濾波單元(6)和負載(7)，其中所述數字控制單元(1)分別與所述原邊開關單元(2)和所述隔離驅動單元(5)連接；所述原邊開關單元(2)與所述隔離變壓單元(3)連接；所述隔離變壓單元(3)與所述輸入母線單元(17)和所述副邊整流單元(4)連接；所述隔離驅動單元(5)與所述副邊整流單元(4)連接；所述副邊整流單元(4)、所述濾波單元(6)和所述負載(7)依次連接。
2. 根據權利要求1所述無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器， 其特徵在於所述數字控制單元(l)為數字控制器；所述原邊開關單 元(2)為原邊開關管、所述隔離變壓單元(3)為隔離變壓器、所述副邊 整流單元(4)為副邊整流管、所述隔離驅動單元(5)為隔離驅動器、所 述濾波單元(6)為儲能濾波電容。
3. 根據權利要求1或2所述無光耦隔離的數字DC/DC反激變換 器，其特徵在於所述數字控制器包括ADC採樣模塊(11)、控制算 法模塊(12 )、時序控制模塊(13 )、 DPWM模塊(14 )和通信模塊； 其中ADC採樣模塊(11 )與所述控制算法模塊(12)連接，所述控 制算法模塊(12)與所述時序控制模塊(13 )連接，所述時序控制模 塊(13)與所述DPWM模塊(14)連接。.
4. 根據權利要求1所述無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器， 其特徵在於輸出電壓的反饋由所述隔離變壓器(3)的反饋繞組以耦 合的方式得到。
5. 根據權利要求1或2所述無光耦隔離的數字DC/DC反激變換 器，其特徵在於所述隔離變壓單元一隔離變壓器(3)為單路輸出或 多路輸出。
6. 根據權利要求5所述無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器， 其特徵在於所述單路輸出時所述隔離變壓單元一隔離變壓器(3)至 少包括三個繞組。
7. 根據權利要求6所述無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器， 其特徵在於所述三個繞組為原邊繞組(18)、副邊繞組(19)和反饋繞 組(16)。
8. 根據權利要求5所述無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器， 其特徵在於所述多路輸出為N路輸出時，所述隔離變壓器(3)包括輸出支路，所述輸出支路包括依次連接的所述副邊整流單元(4)、所 述濾波單元(6)和所述負載(7)。
9. 根據權利要求8所述無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器， 其特徵在於所述變換器為N (N>1)路穩壓輸出時，通過原邊調整得到預穩的中間母線，所述輸出支路包括N個後級調整單元(20)。
10. —種無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器控制方法，其特 徵在於所述數字DC/DC反激變換器控制方法包括步驟A:當為輕載，輸出最小佔空比，進入下一個開關周期；否則進入 步驟B;B:在所述原邊開關單元(2)的後半個開關周期內，延時後進行所述 反饋線圈電壓的ADC採樣；C:將所述ADC的採樣值與基準值作差，得到當前開關周期的誤 差值；D:將所述誤差和初始值代入PID算法中，計算新的佔空比； E:輸出新的佔空比，進入下一個開關周期。
全文摘要
本發明涉及一種無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器及控制方法。所述無光耦隔離的數字DC/DC反激變換器包括數字控制單元、原邊開關單元、輸入母線單元、隔離變壓單元、副邊整流單元、隔離驅動單元、儲能濾波單元和負載，本發明通過在隔離變壓單元中增加反饋繞組對輸出電壓取樣，而不用光耦進行反饋，解決了光耦電流傳輸比隨溫度發生非線性漂移而帶來輸出電壓不穩定的問題，副邊整流單元採用MOSFET管代替整流二極體，提高了反激變換器的輸出功率；並採用數位技術實現閉環控制，克服了模擬控制迴路元器件老化和溫漂引起環路不穩定、控制器參數和輸出電壓不易調節等問題，具有可靠性高、設計靈活等優點。
文檔編號H02M3/24GK101345479SQ20081006701
公開日2009年1月14日 申請日期2008年4月29日 優先權日2008年4月29日
發明者姚雨迎, 張東來, 毅 王, 騫 王, 敏 趙 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院