CN105207468B - 一种dc/dc变换器的电压差控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种DC/DC变换器的电压差控制方法，包括一个主变换器模块、至少一个从变换器模块、输出负载、输出电压环和输出均压环，DC/DC变换器的输入电压的两端分别与所述主变换器模块和从变换器模块相连接，所述输出负载的两端分别与所述主变换器模块和从变换器模块相连接；所述输出电压环通过对参考电压和输出负载的输出电压进行比较进而输出电压环补偿电压；所述输出均压环通过对主变换器模块的输出电压和从变换器模块的输出电压进行比较进而输出均压环补偿电压。本发明能够通过控制主变换器模块的输出电压和从变换器模块的输出电压相等，进而同时达到输入端均压的效果，省去了常规的输入均压环，简化了遥测电路与反馈电路的复杂性。

Description

一种DC/DC变换器的电压差控制方法
技术领域
本发明涉及一种DC/DC变换器的控制方法，尤其涉及一种DC/DC变换器的电压差控制方法。
背景技术
对于输入串联输出串联连接(ISOS)的方式，为达到DC/DC变换器对应***的均压目的，已有的控制方法主要分为两类，分别是输入侧均压控制和输出侧均压控制。从功率平衡的角度分析，每个子模块闭环时可等效为一个负阻抗，一般的均压环只有加在输入端才能使***稳定运行，延伸出的控制方式为双环控制法，包括输入均压环和输出电压环，一般为了提高***动态响应还加入电流环构成三环控制***；目前从输出端做控制的方法是交叉控制法，不同于常规的均压控制环，而是将两个构成组合***的子模块各自的输出电压闭环后的占空比互换，也能达到***稳态平均运行。
总结已有的几种典型控制方式的特点，从输入端控制的双环(三环)控制法，能够精确的控制各个子模块的输入电压相等，但是不仅需要隔离遥测各个输入模块较高的输入电压，在环路控制上还要从输出到输入进行隔离反馈，使整个***较为复杂，实现困难。交叉控制法所有控制均在输出端实现，省去了隔离反馈环节，较双环(三环)控制法简单，但是当构成***的模块数目上升时，相当于交叉控制法的每一个子模块的占空比是由其他所有模块的平均占空比构成的，大大增加了***的复杂度，所以交叉控制法更适合用在模块数目少的场合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种易于实现，并且能够通过控制输出端电压相等同时达到输入端均压的效果的DC/DC变换器的电压差控制方法，进而省去了常规的输入均压环，简化了遥测电路与反馈电路的复杂性，简化了整个***控制方法。
对此，本发明提供一种DC/DC变换器的电压差控制方法，包括一个主变换器模块、至少一个从变换器模块、输出负载、输出电压环和输出均压环；所述主变换器模块和从变换器模块的输入端和输出端分别串联连接；DC/DC变换器的输入电压的两端分别与所述主变换器模块和从变换器模块相连接，所述输出负载的两端分别与所述主变换器模块和从变换器模块相连接；所述输出电压环的输入端分别与参考电压和输出负载的输出电压相连接，并通过对参考电压和输出负载的输出电压进行比较进而输出电压环补偿电压；所述输出均压环的输入端分别与主变换器模块的输出电压和从变换器模块的输出电压相连接，并通过对主变换器模块的输出电压和从变换器模块的输出电压进行比较进而输出均压环补偿电压；其中，所述电压环补偿电压和均压环补偿电压进行取和后输出至所述从变换器模块中。
本发明的进一步改进在于，所述电压环补偿电压直接输出至所述主变换器模块中。即，所述主变换器模块的占空比通过电压环补偿电压所产生。
本发明的进一步改进在于，包括两个以上的从变换器模块，每一个从变换器模块均对应设置一个输出均压环，所述每一个输出均压环都通过对主变换器模块的输出电压和与之相对应的从变换器模块的输出电压进行比较进而输出其均压环补偿电压。
本发明的进一步改进在于，所述主变换器模块分别与所述输出电压环和输出均压环相连接。
本发明的进一步改进在于，还包括第一二极管，所述输出电压环的输出端连接至第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极与所述输出均压环的输出端进行取和。
本发明的进一步改进在于，还包括第二二极管，与所述主变换器模块和从变换器模块相连接的输出均压环的基准电压都通过第二二极管顺序连接在一起；其中，所述输出均压环的基准电压为所述主变换器模块和从变换器模块中的最大的输出电压。
本发明的进一步改进在于，所述输出电压环控制所述主变换器模块和从变换器模块的输出端串联后的总的输出电压，所述主变换器模块和从变换器模块均包括正激变换电路。
本发明的进一步改进在于，所述从变换器模块的输出电压在输出均压环中设置为正反馈运行。
本发明的进一步改进在于，所述输出均压环的参考电压为所述主变换器模块的输出电压。
本发明的进一步改进在于，当从变换器模块的输入电压受到扰动上升时，从变换器模块的输出电压将升高，所述从变换器模块的输出电压为正反馈运行，所述均压环补偿电压为正值，所述从变换器模块的占空比增大，则所述从变换器模块的输入电流增加，所述从变换器模块的输入电压减小，进而使得所述DC/DC变换器回到平衡状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用主-从结构实现了最小化的***环路总数，主变换器模块只有一个输出电压环控制总的输出电压，主变换器模块的输出电压作为从变换器模块的输出均压环的基准电压，输出电压环与输出均压环是并联关系，在设计时可分别独立设计控制参数，互不影响；本发明能够通过控制所述主变换器模块的输出电压和所述从变换器模块的输出电压相等，进而同时达到输入端均压的效果，由于直接采样输出电压，省去了常规的输入均压环，简化了遥测电路与反馈电路的复杂性；本发明各个从变换器模块的输出均压环的基准电压由同一个主变换器模块所给出，避免了所有采样电压运算作和的步骤；在此基础上，本发明提出的电压差控制方法电路简单、易于实现，在需要扩展及冗余备份时，能够改进为自动主-从模式，防止出现主变换器模块失效后DC/DC变换器所在***瘫痪的可能。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例1的电压环补偿电压和均压环补偿电压的波形示意图；
图3是本发明实施例2的结构示意图；
图4是本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
实施例1：
如图1所示，本例提供一种DC/DC变换器的电压差控制方法，包括一个主变换器模块、一个从变换器模块、输出负载、输出电压环和输出均压环；DC/DC变换器的输入电压的两端分别与所述主变换器模块和从变换器模块相连接，所述输出负载的两端分别与所述主变换器模块和从变换器模块相连接；所述输出电压环的输入端分别与参考电压和输出负载的输出电压相连接，并通过对参考电压和输出负载的输出电压进行比较进而输出电压环补偿电压；所述输出均压环的输入端分别与主变换器模块的输出电压和从变换器模块的输出电压相连接，并通过对主变换器模块的输出电压和从变换器模块的输出电压进行比较进而输出均压环补偿电压；其中，所述电压环补偿电压和均压环补偿电压进行取和后输出至所述从变换器模块中，所述电压环补偿电压直接输出至所述主变换器模块中。即，所述主变换器模块的占空比通过电压环补偿电压所产生。所述输出电压环为设置于输出端的电压环，所述输出均压环为设置于输出端的均压环。
本例所述输出电压环控制主变换器模块和从变换器模块串联后的总的输出电压，所述主变换器模块和从变换器模块均包括正激变换电路；所述从变换器模块的输出电压在输出均压环中设置为正反馈运行；所述输出均压环中的参考电压为所述主变换器模块的输出电压，在图1中，所述参考电压为vo2，所述输出负载为RL。
本例当从变换器模块的输入电压受到扰动上升时，从变换器模块的输出电压将升高，所述从变换器模块的输出电压为正反馈运行，所述均压环补偿电压为正值，所述从变换器模块的占空比增大，则所述从变换器模块的输入电流增加，所述从变换器模块的输入电压减小，进而使得所述DC/DC变换器回到平衡状态。
本例采用主-从结构实现了最小化的***环路总数，主变换器模块只有一个输出电压环控制总的输出电压，主变换器模块的输出电压作为从变换器模块的输出均压环的基准电压，输出电压环与输出均压环是并联关系，在设计时可分别独立设计控制参数，互不影响；本例能够通过控制所述主变换器模块的输出电压和所述从变换器模块的输出电压相等，进而同时达到输入端均压的效果，由于直接采样输出电压，省去了常规的输入均压环，简化了遥测电路与反馈电路的复杂性；本例各个从变换器模块的输出均压环的基准电压由同一个主变换器模块所给出，避免了所有采样电压运算作和的步骤；
本例所述的DC/DC变换器的电压差控制方法的基本结构是主-从结构，控制各个主变换器和从变换器的输出电压相等，由功率平衡守则，输入端电压也相应相等；本例采用两个正激变换电路ISOS连接作为例子，分析所述电压差控制方法的工作原理，如图1所示，两个正激变换电路包括一个主变换器模块和一个从变换器模块，其中主变换器模块的占空比只由输出电压环所产生，从变换器模块的占空比由电压环补偿电压和均压环补偿电压取和所产生；与主变换器模块相连接的输出电压环控制整个***的输出电压，与从变换器模块相连接的输出均压环控制主变换器模块和从变换器模块的平均运行。
所述输出均压环不是由主变换器模块和从变换器模块的平均电压作为参考电压，而是以主变换器模块的输出电压作为从变换器模块的输出均压环的参考电压，并且从变换器模块的输出电压是正反馈运行。假设主变换器模块和从变换器模块的各参数相等，并且运行于稳态条件下，当从变换器模块的输入电压受到扰动上升时，从变换器模块的输入电压vin1升高，从变换器模块的输出电压vo1升高，由于从变换器模块的输出电压是正反馈，令输出均压环输出的补偿电压是正值，电压环补偿电压和均压环补偿电压取和结果d1增大，则从变换器模块的输入电流i1增加，电容Cd1的电流减小，从变换器模块的输入电压vin1减小，整个DC/DC变换器所在的***又回到平衡状态。图1所示的是一个主变换器模块和一个从变换器模块采用输入串联输出串联连接(ISOS)方式的电压差控制方法的拓扑结构框图，图2所示的是电压环补偿电压和均压环补偿电压的波形示意图。
稳态时，本例所述电压差控制方法能够令主变换器模块的输出电压vo2和从变换器模块vo1的输出电压相等vo1＝vo2，由功率平衡原理，在主变换器模块和从变换器模块效率基本相等的情况下，各自的输入电压也相等。图2中画出在DC/DC变换器运行时，两个环路的补偿电压的波形示意图，在t1时刻之前主变换器模块和从变换器模块平均运行vci的值为0，到t1时刻，从变换器模块的输入电压vin1受扰动上升，从变换器模块的输出电压vo1上升令均压环补偿电压vci是一个正值，该值叠加到取和结果Vc2上使从变换器模块的占空比增大，从变换器模块的输入电压vin1下降回到平衡状态，t2时刻绕动消失。t3时刻主变换器模块的输入电压vin2受扰动电压上升，主变换器模块的输出电压vo2电压上升，使电压环补偿电压vci是一个负值，该值叠加到取和结果Vc2使从变换器模块的占空比减小，从变换器模块的输入电压vin1的值升高，主变换器模块的输入电压vin2的值下降回到平衡状态，t4时刻扰动消失。
实施例2：
如图3所示，在实施例1的基础上，本例包括两个以上的从变换器模块，每一个从变换器模块均对应设置一个输出均压环，所述每一个输出均压环都通过对主变换器模块的输出电压和与之相对应的从变换器模块的输出电压进行比较进而输出其均压环补偿电压。
本例提出的是对N个从变换器模块构成的***所采用电压差控制方法，N为自然数，N≥2，N个Buck推导型隔离拓扑中所应用的控制框图如图3所示，其中第N个变换器作为主变换器模块，只有一个共用的输出电压环，控制ISOS连接后DC/DC变换器的总输出电压，其中Gvo1是输出电压环的补偿环节，Gvo1也称输出电压环的补偿器；模块1～(N-1)是从变换器模块，各有一个输出均压环，各自的输出电压与主变换器模块的输出电压进行比较，进行***的均压调节，其中主变换器模块的输出电压作为参考电压，Gvo2是输出均压环的补偿环节，Gvo2也称输出均压环的补偿器。
图3中，结构框图中H1和H2分别是总的输出电压和各模块输出电压的采样比例系数，K是均压环补偿电压的比例系数，GM是PWM增益，Ga，Gb和Gc分别是不同模块输出电压对占空比的传递函数。假设各模块的参数均相等，那么传递函数中Ga1＝Ga2＝...＝GaN＝Ga，Gb1＝Gb2＝...＝GbN＝Gb，Gc1＝Gc2＝...＝GcN＝Gc，框图中输出电压环通过采样比例系数H1采样***总输出电压与参考电压Vref比较，经电压环补偿环节Gvo1与PWM环节作用于每个模块的占空比中，所以输出电压环的环路增益为Tv＝NH1Gvo1GM(Ga+Gb+...Gc)。输出均压环是每个从模块的输出电压经采样环节H2后与主模块的输出电压采样值voN比较，经均压环补偿环节Gvo2、比例环节K与PWM环节后作用于每个模块的占空比中，所以输出均压环的环路增益为Ti＝KH2Gvo2GM(Ga-Gc)。
实施例3：
在实施例1或实施例2的基础上，本例为了提高整个***的可靠性，防止主变换器模块失效后整个DC/DC变换器瘫痪，给出了改进的自动主-从结构的电压差控制方法原理图，如图4所示，所述主变换器模块分别与所述输出电压环和输出均压环相连接，所述输出电压环的输出端连接至第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极与所述输出均压环的输出端进行取和；还包括第二二极管，与所述主变换器模块和从变换器模块相连接的输出均压环的基准电压都通过第二二极管顺序连接在一起；其中，所述输出均压环的基准电压为所述主变换器模块和从变换器模块中的最大的输出电压。
如图4所示，本例的主变换器模块和从变换器模块完全相同，都具有两个控制环，即具有输出电压环和输出均压环，每个模块的占空比均由电压环补偿器电压与均压环补偿器电压取和得到，所有模块的输出电压环均调节整个***的总输出电压，各个输出电压环的补偿器Gvo1的输出端通过第一二极管相连，稳定运行时，最高的电压环补偿电压作为所有模块的电压环补偿电压；输出均压环的基准电压也通过第二二极管相连，所有模块中最大的输出电压作为所有输出均压环的基准电压，例如第1个模块的输出电压vo1最大，则vo1作为所有输出均压环的基准电压，此时在输出均压环控制上第1个模块是主变换器模块，第2-N个模块是从变换器模块。
本例在实施例1或实施例2的基础上，提出了控制电路简单、易于实现的自动主-从模式，在需要扩展及冗余备份时，能够直接改进为自动主-从模式，防止出现主变换器模块失效后DC/DC变换器所在***瘫痪的可能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种DC/DC变换器的电压差控制方法，其特征在于，包括一个主变换器模块、至少一个从变换器模块、输出负载、输出电压环和输出均压环；所述主变换器模块的输入端与所述从变换器模块的输入端串联连接，所述主变换器模块的输出端与所述从变换器模块的输出端串联连接；DC/DC变换器的输入电压的一端与所述主变换器模块的输入端相连接，DC/DC变换器的输入电压的另一端与所述从变换器模块的输入端相连接，所述输出负载的一端与所述主变换器模块的输出端相连接，所述输出负载的另一端与所述从变换器模块的输出端相连接；所述输出电压环的输入端分别与参考电压和输出负载的输出电压相连接，并通过对参考电压和输出负载的输出电压进行比较进而输出电压环补偿电压；所述输出均压环的输入端分别与主变换器模块的输出电压和从变换器模块的输出电压相连接，并通过对主变换器模块的输出电压和从变换器模块的输出电压进行比较进而输出均压环补偿电压；其中，所述电压环补偿电压和均压环补偿电压进行取和后输出至所述从变换器模块中；所述电压环补偿电压直接输出至所述主变换器模块中；包括两个以上的从变换器模块，每一个从变换器模块均对应设置一个输出均压环，每一个所述输出均压环都通过对主变换器模块的输出电压和与之相对应的从变换器模块的输出电压进行比较进而输出其均压环补偿电压。
2.根据权利要求1所述的DC/DC变换器的电压差控制方法，其特征在于，所述主变换器模块分别与所述输出电压环和输出均压环相连接。
3.根据权利要求2所述的DC/DC变换器的电压差控制方法，其特征在于，还包括第一二极管，所述输出电压环的输出端连接至第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极与所述输出均压环的输出端进行取和。
4.根据权利要求2所述的DC/DC变换器的电压差控制方法，其特征在于，还包括第二二极管，与所述主变换器模块和从变换器模块相连接的输出均压环的基准电压都通过第二二极管顺序连接在一起；其中，所述输出均压环的基准电压为所述主变换器模块和从变换器模块中的最大的输出电压。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的DC/DC变换器的电压差控制方法，其特征在于，所述输出电压环控制所述主变换器模块和从变换器模块的输出端串联后的总的输出电压，所述主变换器模块和从变换器模块均包括正激变换电路。
6.根据权利要求5所述的DC/DC变换器的电压差控制方法，其特征在于，所述从变换器模块的输出电压在输出均压环中设置为正反馈运行。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的DC/DC变换器的电压差控制方法，其特征在于，所述输出均压环的参考电压为所述主变换器模块的输出电压。
8.根据权利要求1至4任意一项所述的DC/DC变换器的电压差控制方法，其特征在于，当从变换器模块的输入电压受到扰动上升时，从变换器模块的输出电压将升高，所述从变换器模块的输出电压为正反馈运行，所述均压环补偿电压为正值，所述从变换器模块的占空比增大，则所述从变换器模块的输入电流增加，所述从变换器模块的输入电压减小，进而使得所述DC/DC变换器回到平衡状态。
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