CN113497556A - 直流-直流转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流‑直流转换器，其包括：第一电容；第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其串联连接在第一电容的第一电极与第二电极之间；第二电容，其连接至第一开关与第二开关的连接节点和第三开关与第四开关的连接节点；电感，其连接至第二开关与第三开关的连接节点；以及控制器，其基于利用第一检测电压与第一电压指令值之间的差值、第二检测电压与第二电压指令值之间的差值和检测电流的倒数的计算结果来控制第一开关至第四开关中的每一个的导通/关断状态，所述检测电流为流过所述电感的测量电流。

Description

直流-直流转换器
技术领域
本发明涉及一种DC-DC转换器，更具体地，涉及一种具有可控性改善的飞跨电容的DC-DC转换器。
背景技术
将直流(DC)电源从一个电压水平转换为另一个电压水平的DC-DC转换器广泛用于各种电子设备中。
关于常规的DC-DC转换器，已知这样一种技术：通过利用半导体开关的导通/关断操作来控制电感的能量累积量和能量释放量，将直流电源的电压转换为另一个电压。这种类型的DC-DC转换器具有电感较大并且笨重的缺点。
为了解决这个问题，即，为了减小电感的尺寸和重量，需要减小电感的电感值。为此，已经开发出通过对电容进行充电和放电来减小施加到电感的电压的技术。
在利用这种技术的多种DC-DC转换器中，存在这样一种DC-DC转换器：其包括一系列开关和设置在所述一系列开关中的两个开关之间的飞跨电容。
这种具有飞跨电容的DC-DC转换器存在以下问题：由于需要将飞跨电容的电压保持在恒定水平，因此难以控制。当飞跨电容的电压明显偏离某个水平时，高电压将会施加到开关，使得开关可能被烧毁。
因此，需要一种改善施加到飞跨电容的电压的可控性的技术。
以上陈述仅仅旨在帮助理解本发明的背景技术，并不旨在意味着本发明落入本领域技术人员公知的相关技术的范围内。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有可控性改善的飞跨电容的DC-DC转换器。
为了实现该目的，根据本发明的一方面，提供了一种DC-DC转换器，其包括：第一电容；第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其串联连接在第一电容的第一电极与第二电极之间；第二电容，其第一电极和第二电极分别连接至第一开关与第二开关的连接节点和第三开关与第四开关的连接节点；电感，其第一端子连接至第二开关与第三开关的连接节点；以及控制器，其基于利用第一检测电压与第一电压指令值之间的差值、第二检测电压与第二电压指令值之间的差值和检测电流的倒数的计算结果来控制第一开关至第四开关中的每一个的导通/关断状态，所述检测电流为流过所述电感的测量电流；其中，所述第一检测电压是所述第一电容的第一电极与第二电极之间的测量电压或所述电感的第二端子与所述第一电容和所述第四开关的连接节点之间的测量电压，所述第二检测电压是所述第二电容的第一电极与第二电极之间的测量电压。
根据本发明的一个实施方案，所述控制器可以基于通过将预设比例控制常数应用于第二检测电压与第二电压指令值之间的差值、并且通过将应用预设比例控制常数的结果值乘以检测电流的倒数所得到的值来控制第一开关至第四开关中的每一个的导通/关断状态。
根据本发明的一个实施方案，当检测电流的大小在零附近的预设范围内时，所述控制器可以将检测电流的倒数确定为预设常数值。
根据本发明的一个实施方案，当检测电流的大小在零附近的预设范围内时，所述控制器可以将检测电流的倒数确定为在所述预设范围内线性变化的预设常数值。
根据本发明的一个实施方案，所述控制器可以包括：电压控制器，其基于第一检测电压与第一电压指令值之间的差值来生成作为流过电感的目标电流的电流指令值；电流控制器，其基于所述电流指令值与检测电流之间的差值来生成第一控制电压指令值；以及飞跨电容电压控制器，其基于第二检测电压与第二电压指令值之间的差值和检测电流的倒数来生成第二控制电压指令值。
根据本发明的一个实施方案，所述飞跨电容电压控制器可以包括：减法器，其计算第二检测电压与第二电压指令值之间的差值；比例控制器，其输出通过将比例控制值应用于减法器的计算结果而获得的值；倒数计算器，其计算检测电流的倒数；以及乘法器，其将所述比例控制器输出的值乘以倒数计算器的计算结果，并且将通过相乘得到的乘积输出为第二控制电压指令值。
根据本发明的一个实施方案，当检测电流的大小在零附近的预设范围内时，所述倒数计算器可以将检测电流的倒数确定为预设常数值。
根据本发明的一个实施方案，当检测电流的大小在零附近的预设范围内时，所述倒数计算器可以将检测电流的倒数确定为在所述预设范围内线性变化的预设常数值。
根据本发明的一个实施方案，所述控制器可以包括：第一加法器，其将第一控制电压指令值与第二控制电压指令值相加，以产生第一占空比指令值；减法器，其从第一检测电压中减去第一控制电压指令值；第二加法器，其将减法器的输出值与第二控制电压指令值相加，以产生第二占空比指令值；第一开关控制器，其根据所述第一占空比指令值与具有预定频率的三角波信号之间的比较结果来确定第一开关和第四开关中的每一个的导通/关断状态；以及第二开关控制器，其根据所述第二占空比指令值与所述三角波信号之间的比较结果来确定第二开关和第三开关中的每一个的导通/关断状态。
根据本发明的一个实施方案，所述DC-DC转换器可以进一步包括：电压传感器，其用于获得所述第一电容的第一电极与第二电极之间的测量电压或电感的第二端子与所述第一电容和第四开关的连接节点之间的测量电压。
根据本发明的一个实施方案，所述DC-DC转换器可以进一步包括电流传感器，其用于获得流过电感的测量电流。
在根据本发明的DC-DC转换器中，施加到飞跨电容的电压的可控性得到改善。即，由于飞跨电容的电压容易保持在期望的水平，所以能够避免由于施加过电压而对开关造成的损坏。
通过本发明可以实现的效果和优点不限于上述效果和优点，并且通过以下描述，本领域技术人员可以清楚地理解以上未描述但是通过本发明能够实现的其他效果和优点。
附图说明
通过下文结合附图所呈现的详细描述，将会更为清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征以及其他优点，在这些附图中：
图1为示出根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器的电路图；
图2为更详细地示出根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器的控制器的框图；
图3至图6为示出根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器中的电流的流动的示意图；以及
图7至图9为示出在根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器的控制操作中使用的电感电流的倒数的特性的曲线图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述根据本发明的各个实施方案的DC-DC转换器。
图1为根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器的电路图。
参考图1，根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器将施加在第一输入/输出(I/O)端子T11与第二I/O端子T12之间的电压转换为更高的电压，并且在第三I/O端子T21与第四I/O端子T22之间提供升高的电压。相反，DC-DC转换器将施加在第三I/O端子T21与第四I/O端子T22之间的电压转换为更低的电压，并且在第一I/O端子T11与第二I/O端子T12之间提供所生成的更低的电压。图1示出示例性的转换器，其包括设置在第一I/O端子T11与第二I/O端子T12之间的电池BAT，所述转换器将电池BAT的供应电流的电压升高为更高的电压，并且在第三I/O端子T21与第四I/O端子T22之间提供所生成的更高的电压。例如，在第三I/O端子T21与第四I/O端子T22之间连接负载。
以下描述涉及将通过使电池BAT的输出电压升压而得到的电压施加在第三I/O端子T21与第四I/O端子T22之间的示例。然而，本领域技术人员应当理解，相反的情况也是可能的。即，对施加在第三I/O端子T21与第四I/O端子T22之间的电压进行降压，并且将所得到的降低的电压施加在第一I/O端子T11与第二I/O端子T12之间。
根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器包括：第一电容CDC、第一开关至第四开关S1、S2、S3和S4、第二电容CFC、电感L以及控制器10；所述第一电容CDC的第一电极和第二电极分别连接到第三I/O端子T21和第四I/O端子T22；所述第一开关至第四开关S1、S2、S3和S4串联连接在第一电容CDC的第一电极与第二电极之间；所述第二电容CFC的第一电极和第二电极分别连接到第一开关S1与第二开关S2之间的连接节点和第三开关S3与第四开关S4之间的连接节点；所述电感L的第一端子连接到第二开关S2与第三开关S3之间的连接节点；所述控制器10控制第一开关至第四开关S1至S4中的每一个的导通/关断状态。在一个示例中，控制器10的输出S1至S4可以分别连接至第一开关S1至第四开关S4的栅极。
第一电容CDC是连接在第三I/O端子T21与第四I/O端子T22之间的平滑电容。尽管图1中未示出，但是可以在第一I/O端子T11与第二I/O端子T12之间连接附加的平滑电容。
第一开关S1至第四开关S4以从第一电容CDC的第一电极侧到第二电极侧的顺序串联连接。第一开关S1至第四开关S4中的每一个均由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)实现。每个开关根据从控制器10输入到其栅极的导通/关断控制信号而导通或关断。或者，第一开关S1至第四开关S4中的每一个可以利用本领域中已知的任意开关元件代替IGBT来实现。
第二电容CFC是飞跨电容，其第一电极和第二电极分别连接到第一开关S1与第二开关S2之间的连接节点和第三开关S3与第四开关S4之间的连接节点。
尽管在附图中未示出，根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器可以包括用于检测内部电路信息的多个传感器，该内部电路信息由控制器10使用，从而为第一开关S1至第四开关S4中的每一个生成导通/关断控制信号。多个传感器可以包括：用于测量第一I/O端子T11与第二I/O端子T12之间的电压或第三I/O端子T21与第四I/O端子T22之间的电压VDC的电压传感器，用于测量第二电容CFC的电压VFC的电压传感器，以及用于测量流过电感L的电流IL的电流传感器。由电压传感器和电流传感器测量出的电压值和电流值分别称为检测电压和检测电流。检测电压和检测电流输入到控制器10。
控制器10接收第一检测电压，所述第一检测电压是在第一电容CDC的第一电极与第二电极之间、或者在电感L的第二端子与第一电容CDC和第四开关S4的连接节点之间的实际测量电压。第一检测电压对应于通过DC-DC转换器的升压操作生成的输出电压或通过降压操作获得的输出电压。在升压操作的情况下，第一检测电压对应于第三I/O端子T21与第四I/O端子T22之间的电压(即，第一电容CDC的电压)。在降压操作的情况下，第一检测电压对应于第一I/O端子T11与第二I/O端子T12之间的电压。
控制器10将第一检测电压与第一电压指令值进行比较，并计算它们之间的差值。第一电压指令值表示要从DC-DC转换器输出的目标电压。第一电压指令值由上级控制器进行设置。在一个示例中，设定值或预设值可以存储在存储装置中，并且可以由控制器10读取，或者可以从上级控制器发送到控制器10。
控制器10接收检测电压VFC(其为施加到第二电容CFC的测量电压)，将检测电压VFC与预设的第二电压指令值进行比较，并计算它们之间的差值。该电压指令值由上级控制器预设，并且约为第一电容CDC的电压的一半。根据本发明的一个实施方案，控制器10基于电感L的实际测量电流(即，检测电流)与施加到第二电容CFC的第二检测电压VFC和第二电压指令值之间的差值的乘积来控制每个开关S1至S4的导通/关断状态。
图2为更详细地示出根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器的控制器的框图。
参考图2，根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器的控制器10包括电压控制器11、电流控制器12以及飞跨电容电压控制器13。
电压控制器11包括减法器111和PI控制器112。减法器111将检测电压VDC(其为第一I/O端子T11与第二I/O端子T12之间的实际测量电压)或检测电压VDC(其为第三I/O端子T21与第四I/O端子T22之间的实际测量电压)与预设的第一电压指令值VDC*进行比较，并且计算检测电压VDC与第一电压指令值VDC*之间的差值。PI控制器112执行比例积分控制，以减小由减法器111计算出的差值。通过执行比例积分控制，PI控制器112输出表示要流过电感L的目标电流的电感电流指令值IL*，从而可以减小由减法器111计算出的差值。
电流控制器12包括减法器121和PI控制器122。减法器121计算由电压控制器11提供的电感电流指令值IL*与流过电感L的实际检测电流IL之间的差值。PI控制器122执行比例积分控制，以生成可以减小减法器121的输出值的第一控制电压指令值VDM*。第一控制电压指令值VDM*用于确定开关S1至S4的导通-关断占空比。
图2示出了电压控制器11和电流控制器12执行比例积分控制的示例。然而，控制技术不限于此。可以利用本领域中已知的各种技术。
飞跨电容电压控制器13包括减法器131、比例控制器132、倒数计算器133以及乘法器134。减法器131接收施加到第二电容CFC的检测电压VFC，将检测电压VFC与预设的第二电压指令值VFC*进行比较，并计算它们之间的差值。比例控制器132执行比例控制，并且输出能够减小减法器131的输出值的控制指令值。倒数计算器133计算检测到的电感电流IL的倒数，而乘法器134将比例控制器132的输出值与从倒数计算器133输出的倒数相乘，并将计算出的乘积作为第二控制电压指令值VCM*输出。
另外，控制器10可以进一步包括：加法器141、减法器142、第二加法器143、第一开关控制器144以及第二开关控制器145；所述加法器141将电流控制器12输出的第一控制电压指令值VDM*与飞跨电容电压控制器13输出的第二控制电压指令值VCM*相加，并生成第一占空比指令值V1*；所述减法器142从I/O端子之间检测到的检测电压VDC中减去第一控制电压指令值VDM*；所述第二加法器143将减法器142输出的结果值与第二控制电压指令值VCM*相加；所述第一开关控制器144根据第一占空比指令值V1*与三角波发生器146所生成的具有预设频率的三角波信号之间的比较结果来确定第一开关S1和第四开关S4中的每一个的导通/关断状态；所述第二开关控制器145根据第二占空比指令值V2*与三角波发生器146输出的具有预设频率的三角波信号之间的比较结果来确定第二开关S2和第三开关S3中的每一个的导通/关断状态。
关于上述配置，利用第一控制电压指令值VDM*和第二控制电压指令值VCM*，通过等式1来表示第一占空比指令值V1*和第二占空比指令值V2*。
[等式1]
V1*＝VCM*+VDM*
V2*＝VCM*+(VDC－VDM*)。
在此，第一控制电压指令值VDM*是基于DC-DC转换器的输出电压VDC产生的值，并且对输出有影响，而第二控制电压指令值VCM*是基于飞跨电容的电压VFC生成的值，并且对飞跨电容的电压VFC或DC-DC转换器的输出电压VDC与飞跨电容的电压VFC之间的差值VDC－VFC有影响。即，第一控制电压指令值VDM*用于控制DC-DC转换器的输出电压，而第二控制电压指令值VCM*用于控制飞跨电容的电压。
图3至图6为示出根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器中的电流的流动的示意图。
图3示出第一状态，其中，第一开关S1和第二开关S2导通，并且第三开关S3和第四开关S4关断。当电容CDC的电压VDC完全施加到电感L与开关S2或S3的连接节点时，建立了第一状态。
图4示出第二状态，其中，第一开关S1和第三开关S3导通，并且第二开关S2和第四开关S4关断。当对应于电容CDC的电压VDC与飞跨电容CFC的电压VFC之间的差值的电压施加到电感L与开关S2或S3的连接节点时，建立了第二状态。
图5示出第三状态，其中，第二开关S2和第四开关S4导通，并且第一开关S2和第三开关S3关断。当飞跨电容CFC的电压VFC施加到电感L与开关S2或S3的连接节点时，建立了第三状态。
图6示出第四状态，其中，第一开关S1和第二开关S2关断，并且第三开关S3和第四开关S4导通。当没有电压施加到电感L与开关S2或S3的连接节点时，建立了第四状态。
在图3至图6示出的状态中，在电流流过称为飞跨电容CFC的第二电容CFC的第二状态和第三状态下，飞跨电容CFC的电压变化。在第二状态和第三状态的总持续时间中，充入到飞跨电容CFC中或从飞跨电容CFC中释放的电能取决于流过电感L的电流以及第二状态与第三状态的比率。
这可以由等式2表示。
[等式2]
IFC＝sCFCVFC
IFC＝DCM·IL
Figure BDA0002733436640000091
其中，“DCM”表示电流流过飞跨电容CFC的占空比，其通过飞跨电容电压控制器13的比例控制来确定，并且通过等式2中的第三行来表示。等式2中的第三行表示在没有利用电感电流IL的倒数的情况下的占空比。在等式2中，“KP”表示比例控制器132的增益。
将等式2归纳为等式3，并且基于等式3计算传递函数可以得到等式4。
[等式3]
Figure BDA0002733436640000092
[等式4]
Figure BDA0002733436640000093
为了以一阶低通滤波器的闭环形式控制等式4的传递函数，必须建立等式5的关系式。
[等式5]
Figure BDA0002733436640000094
等式5示出：只有当比例控制的增益与电感电流成反比时，才能够获得线性控制特性。
因此，在本发明的一个实施方案中，利用飞跨电容电压控制器13包括用于获得电感电流IL的倒数的倒数计算器133的配置，能够获得整体电流的稳定控制特性。
这里，飞跨电容电压控制器13中的控制器可以利用比例积分(PI)控制器代替比例控制器132来实现。但是，当利用PI控制器时，根据电流的方向，积分器中累积的值可能会生成较大的占空比脉动(pulsation)。这意味着在电感电流IL变为零附近的可控性大大地劣化。因此，最好利用比例控制器。
图7至图9为示出在根据本发明的一个实施方案的DC-DC转换器的控制操作中使用的电感电流的倒数的特性的曲线图。
如上所述，在将电感电流IL的倒数应用于飞跨电容电压控制的情况下，如图7所示，当电感电流IL接近零时，电感电流IL的倒数趋向于正无穷大或负无穷大。因此，根据电感电流的方向，飞跨电容的电压无法适当地控制，或者第二控制电压指令值VCM*大大地漂移。由于该效果，可能存在在零电流附近可控性劣化的问题。
在本发明的各个实施方案中，提供一种限制电感电流的技术，以防止可控性的这种劣化。
首先，如图8所示，当输入电感电流IL的大小在零附近的预设范围A内时，飞跨电容电压控制器13中包括的倒数计算器133将电感电流IL(即，电感的检测电流)的倒数1/IL限制为预设的恒定值±INV_IL_max。当如上所述限制了电感电流IL的倒数(1/IL)的值时，能够防止电感电流接近零时增益的值趋向于无穷大。因此，能够改善在零电流附近的可控性。
根据本发明的一个实施方案，如图9所示，存在另一种防止飞跨电容的可控性劣化的技术。即，当输入到飞跨电容电压控制器13中包括的倒数计算器133的电感电流IL的大小在零附近的预设范围A内时，电感电流(即，电感的检测电流)的倒数1/IL设置为线性变化。如上所述，当将电感电流IL的倒数(1/IL)的值限制为在预定范围±INV_IL_max内线性变化时，能够防止电感电流接近零时增益的值趋向于无穷大。因此，能够改善在零电流附近的可控性。
如上参考图8和图9所述，在限制电感电流IL(电感的检测电流)接近零时的电感电流IL的倒数1/IL的值的情况下，当利用比例积分控制器实现飞跨电容电压控制器13中包括的控制器时，以及当利用比例控制器实现所述控制器时，***都能够稳定地运行。
由控制器执行的前述操作/功能可以实施为存储在计算机可读记录介质上的计算机可读代码/算法/软件。计算机可读记录介质是可以存储随后可以由计算机或处理器/微处理器读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括硬盘驱动器(HDD)、固态驱动器(SSD)、硅磁盘驱动器(SDD)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储设备等。
前述控制器可以包括一个或更多个处理器/微处理器。控制器可以利用电路来实现。控制器可以通过执行存储在计算机可读记录介质上的计算机可读代码/算法/软件来执行上述操作/功能。
尽管已经参考优选实施方案描述了本发明，但是呈现优选实施方案是为了仅出于说明性目的描述本发明的技术精神，并且本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，能够进行各种修改和改变。因此，应当理解，本发明的保护范围由所附权利要求书而不是以上呈现的描述来限定。

Claims (11)

1.一种直流-直流转换器，其包括：
第一电容；
第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其串联连接在第一电容的第一电极与第二电极之间；
第二电容，其第一电极连接至第一开关与第二开关的连接节点，第二电极连接至第三开关与第四开关的连接节点；
电感，其第一端子连接至第二开关与第三开关的连接节点；以及
控制器，其基于利用第一检测电压与第一电压指令值之间的差值、第二检测电压与第二电压指令值之间的差值和检测电流的倒数的计算结果来控制第一开关至第四开关中的每一个的导通/关断状态，其中，所述检测电流为流过所述电感的测量电流；
其中，所述第一检测电压为第一电容的第一电极与第二电极之间的测量电压或所述电感的第二端子与第一电容和第四开关的连接节点之间的测量电压。
2.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其中，基于通过将预设比例控制常数应用于第二检测电压与第二电压指令值之间的差值、并且通过将应用预设比例控制常数的结果值乘以检测电流的倒数所得到的值，所述控制器控制第一开关至第四开关中的每一个的导通/关断状态。
3.根据权利要求2所述的直流-直流转换器，其中，当检测电流的大小在零附近的预设范围内时，所述控制器将检测电流的倒数确定为预设常数值。
4.根据权利要求2所述的直流-直流转换器，其中，当检测电流的大小在零附近的预设范围内时，所述控制器将检测电流的倒数确定为在所述预设范围内线性变化的预设常数值。
5.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其中，所述控制器包括：
电压控制器，其基于第一检测电压与第一电压指令值之间的差值来生成针对流过电感的电流的电流指令值；
电流控制器，其基于所述电流指令值与检测电流之间的差值来生成第一控制电压指令值；以及
飞跨电容电压控制器，其基于第二检测电压与第二电压指令值之间的差值和检测电流的倒数来生成第二控制电压指令值。
6.根据权利要求5所述的直流-直流转换器，其中，所述飞跨电容电压控制器包括：
减法器，其计算第二检测电压与第二电压指令值之间的差值；
比例控制器，其输出通过将比例控制值应用于所述减法器的计算结果而获得的值；
倒数计算器，其计算检测电流的倒数；以及
乘法器，其将所述比例控制器输出的值乘以所述倒数计算器的计算结果，并且将通过相乘得到的乘积输出为第二控制电压指令值。
7.根据权利要求6所述的直流-直流转换器，其中，当检测电流的大小在零附近的预设范围内时，所述倒数计算器将检测电流的倒数确定为预设常数值。
8.根据权利要求6所述的直流-直流转换器，其中，当检测电流的大小在零附近的预设范围内时，所述倒数计算器将检测电流的倒数确定为在所述预设范围内线性变化的预设常数值。
9.根据权利要求5所述的直流-直流转换器，其中，所述控制器包括：
第一加法器，其将第一控制电压指令值与第二控制电压指令值相加，以产生第一占空比指令值；
减法器，其从第一检测电压中减去第一控制电压指令值；
第二加法器，其将减法器的输出值与第二控制电压指令值相加，以产生第二占空比指令值；
第一开关控制器，其根据第一占空比指令值与具有预定频率的三角波信号之间的比较结果来确定第一开关和第四开关中的每一个的导通/关断状态；以及
第二开关控制器，其根据第二占空比指令值与所述三角波信号之间的比较结果来确定第二开关和第三开关中的每一个的导通/关断状态。
10.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其进一步包括：电压传感器，所述电压传感器用于获得第一电容的第一电极与第二电极之间的测量电压或所述电感的第二端子与第一电容和第四开关的连接节点之间的测量电压。
11.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其进一步包括电流传感器，所述电流传感器用于获得流过所述电感的测量电流。
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