CN113890324A - 一种基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，属于开关电源领域，包括：逆变模块；外环控制模块，对逆变模块中LC滤波后的信号进行PID控制后输出；内环控制模块，对LC滤波前的信号和外环控制模块输出的信号之间的差值进行delta‑sigma调制后输出；死区设置模块，设置长死区时间；内环控制模块输出的驱动逻辑信号经长死区时间后驱动桥式逆变电路中的开关管，从而降低开关频率，使得开关管的工作模式为混合导通模式或断续模式，开关管可实现零电流开通并兼顾较大的***输出功率容量，将输入的交流信号转换为直流信号后输出。通过设置并调节长死区时间，在无需外加谐振电路的情况下实现功率开关器件的软开关并实现高精度。

Description

一种基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源
技术领域
本发明属于开关电源领域，更具体地，涉及一种基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源。
背景技术
高精度交流电源在精密制造、精密测量和医疗领域中有着重要应用。delta-sigma调制控制可以实现良好的精度，但是为了获取优异的精度性能，要求delta-sigma调制实现低时延。低时延会造成很高的开关频率，受制于现有开关器件性能，使其在大功率场合不适用，此外，开关频率过高将造成电磁兼容问题。为了在保证精度的情况下降低开关频率，常用方法为在delta-sigma调制的采样环路中加入滤波器。滤波器越大，开关频率越低，但是，滤波器将降低采样带宽，降低***在中频段的误差抑制能力，使得***的可用高精度带宽降低。此外，改变滤波器来改变开关频率的方式调节能力有限，并且工程中更改复杂。因此如何在保证精度与***带宽的情况下简易地降低开关频率有着重要的意义。
开关电源除了高精度要求，更普遍的要求是高效率，而软开关是实现高效率的有效途径。目前实现软开关的方式通常需要***辅助器件实现谐振，这将增加控制与设计的复杂度。通过电感电流断续可以实现开关管的零电流开通，断续模式(Discrete CurrentMode，DCM)的逆变器无需辅助器件，但是传统电感电流断续模式的逆变器通常采用电流滞环方式，需要大量的模拟器件来实现控制。此外，由于电压比较器不能准确地检测比较电压，对于逆变器的输出波形与控制将造成不利影响。并且，传统DCM的逆变器的状态平均模型在每个开关周期内和占空比以及此时输出电压有关，是一个非线性的、时变的模型，由于难以建模，滞环控制依赖试凑，缺乏较为高级反馈控制策略。综上分析，如何让开关电源在合适的开关频率下实现高精度，并且实现类似DCM情况下的高效率，同时便于建模以实现高级控制有着极为重要的意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，其目的在于通过设置并调节长死区时间，在无需外加谐振电路的情况下实现功率开关器件的软开关及混合导通。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，包括：逆变模块，包括桥式逆变电路以及与所述桥式逆变电路桥臂中点相连的LC滤波电路；外环控制模块，用于对所述逆变模块中LC滤波后的信号进行PID控制后输出；内环控制模块，用于对所述逆变模块中LC滤波前的信号和所述外环控制模块输出的信号之间的差值进行delta-sigma调制后输出驱动逻辑信号；死区设置模块，连接在所述内环控制模块和所述桥式逆变电路之间，用于设置长死区时间，所述长死区时间的范围为5μs-500μs；所述内环控制模块输出的驱动逻辑信号经所述长死区时间后驱动所述桥式逆变电路中的开关管，使得所述开关管的工作模式为混合导通模式或断续模式，并将输入的交流信号转换为直流信号后输出。
更进一步地，所述开关管反向并联有二极管，所述死区设置模块用于调大所述长死区时间，使得所述长死区时间内，所述LC滤波电路中的电感电流经上桥臂或下桥臂的二极管并不断减小至零，以控制所述开关管工作在断续模式，实现零电流开通。
更进一步地，所述开关管反向并联有二极管，所述死区设置模块还用于设置两类大小不等的长死区时间；所述LC滤波电路中的电感电流经上桥臂或下桥臂的二极管并不断减小，较小的长死区时间内，所述开关管在电感电流未减小至零时导通，较大的长死区时间内，所述开关管在电感电流减小至零时导通，以控制所述开关管工作在混合导通模式。
更进一步地，所述死区设置模块还用于调节所述两类大小不等的长死区时间的比例，以调节所述混合导通模式中连续导通和不连续导通的比例。
更进一步地，所述开关管反向并联有二极管，所述死区设置模块还用于设置固定时长的长死区时间；上、下桥臂开关管切换过程中，所述LC滤波电路中的电感电流经上桥臂或下桥臂的二极管并不断减小，若电感电流大于电流阈值，所述开关管在电感电流未减小至零时导通，否则，所述开关管在电感电流减小至零时导通，以控制所述开关管工作在混合导通模式。
更进一步地，所述开关管反向并联有二极管，所述死区设置模块还用于调节所述长死区时间，使得所述长死区时间大于所述开关管的驱动时长，所述开关管保持关断以减小所述开关管的导通关断次数。
更进一步地，所述交流开关电源为交流电压源，所述交流电压源还包括电压采样模块，所述电压采样模块用于对所述逆变模块LC滤波后的电压信号进行采样，所述外环控制模块用于对采样得到的电压信号进行PID控制后输出。
更进一步地，所述交流开关电源为交流电流源，所述交流电流源还包括电流采样模块，所述电流采样模块用于对所述逆变模块LC滤波后的电流信号进行采样，所述外环控制模块用于对采样得到的电流信号进行PID控制后输出。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)利用delta-sigma调制实现交流开关电源的高精度指标，结合PID控制进一步提高精度，在此基础上，通过设置长死区时间，在无需外加谐振电路的情况下实现功率开关器件的软开关和混合导通，从而实现高效率；相较于通过在delta-sigma内环增加环路时延降低开关频率的方式，长死区时间模式可以更好地保证精度；此外，delta-sigma的调制模型通过注入误差源的方式，解决了电感电流断续模式下依据状态方程得到的数学模型为非线性的、时变的，无法与连续电流模式下的数学模型统一的问题，使得***便于分析控制，为更多的高级控制建立分析基础；
(2)由于长死区时间的存在，开关频率降低，电感电流可以实现断续，由此实现开关管的零电流开通，极大地降低开关管损耗，提高整机效率；
(3)由于两种不同长度的长死区时间的存在，开关频率降低，电感电流可以实现断续或者部分断续，由此实现开关管的混合导通，混合导通模式下电感电流的峰值较断续模式下更小，可降低开关器件和电感的电流应力，从而减小电感损耗、开关管的关断损耗和通态损耗；
(4)通过设定长死区时间大于给定的开关管驱动时长，开关管保持关断，可以减小开关管的导通关断次数，从而降低开关管损耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电压源的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电流源的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的delta-sigma+PID电压双环控制的波形图；
图4为delta-sigma控制下增加环路时延后的波形图；
图5为本发明实施例提供的delta-sigma控制下增加死区时间后的波形图；
图6为本发明实施例提供的delta-sigma电压内环PID电流外环控制下，增加死区时间后的波形图；
图7为delta-sigma+PID电压双环控制下，设置内环较低时延导致高开关频率的输出波形图；
图8为本发明实施例提供的delta-sigma控制下增加死区时间后开关管实现零电流开通的细节波形图；
图9为本发明实施例提供的delta-sigma调制应用在逆变器中的调制模型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1和图2分别为本发明实施例提供的基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电压源和交流开关电流源的结构示意图。参阅图1和图2，结合图3-图9，对本实施例中基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源进行详细说明。
基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源包括逆变模块、外环控制模块、内环控制模块和死区设置模块。逆变模块包括桥式逆变电路以及与桥式逆变电路桥臂中点相连的LC滤波电路，桥式逆变电路用于将输入的直流信号转换为交流信号后输出，LC滤波电路用于对桥式逆变电路输出的交流信号进行LC滤波。外环控制模块用于对逆变模块中LC滤波后的信号进行PID控制后输出。内环控制模块用于对逆变模块中LC滤波前的信号和外环控制模块输出的信号之间的差值进行delta-sigma调制后输出驱动逻辑信号。死区设置模块连接在内环控制模块和桥式逆变电路之间，其输入连接内环控制模块的输出，其输出连接用于驱动桥式逆变电路的驱动环节，用于设置长死区时间，长死区时间的范围为5μs-500μs。内环控制模块输出的驱动逻辑信号经长死区时间后驱动桥式逆变电路中的开关管，使得开关管的工作模式包括混合导通模式和/或断续模式，并将输入的交流信号转换为直流信号后输出。
本实施例中，死区时间是指内环控制模块输出驱动逻辑信号时，为了使桥式逆变电路的上、下开关管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段，也即内环控制模块驱动响应时间。可以理解的是，本实施例中的长死区时间也可以有其他范围，只要其时长满足令开关管的工作模式为混合导通模式或断续模式即可。本实施例中的交流开关电源，由于delta-sigma调制的反馈属性，开关频率将被迫降低，较低的开关频率使得电感电流实现断续或部分断续，从而实现开关管的零电流开通，由此极大地降低开关管损耗。
桥式逆变电路中的各开关管反向并联有二极管，如图1和图2所示。需要说明的是，当开关管为MOS管时，可以直接使用MOS管的体二极管，无需为MOS管额外设置反向并联的二极管；当开关管为IGBT时，IGBT通常集成有反向并联的二极管，无需为IGBT额外设置反向并联的二极管。交流开关电源工作在断续模式的控制过程为：死区设置模块调大长死区时间，使得该长死区时间内，LC滤波电路中的电感电流经上桥臂或下桥臂的二极管并不断减小至零，以控制开关管工作在断续模式，实现零电流开通。长死区时间的具体取值由其具体应用场景确定，只需要满足可以令LC滤波电路中的电感电流减小至零即可。
以半桥拓扑为例介绍电感电流断续(断续模式)的实现过程。内环控制模块中的比较器动作时，产生相应的开关管驱动逻辑信号，死区设置模块设置长时间的死区，在死区时间内开关管全部闭锁，电感电流根据方向流经上管的二极管或者下管的二极管，在死区时间内电感电流被阻碍不断减小，当死区时间足够长，电感电流可以减小到零，此后电感电流维持在零附近直至比较器再次动作且新的死区时间完毕，由此在电流为零时开关管实现导通，从而降低开关损耗。
本发明一实施例中，交流开关电源工作在混合导通模式的控制过程为：死区设置模块设置两类大小不等的长死区时间；LC滤波电路中的电感电流经上桥臂或下桥臂的二极管并不断减小；较小的长死区时间内，开关管在电感电流未减小至零时导通，即电感电流工作于连续导通模式；较大的长死区时间内，开关管在电感电流减小至零时导通，即电感电流工作于不连续导通模式；由此，控制开关管工作在混合导通模式。这两类长死区时间的具体取值由其具体应用场景确定，只需要满足较大的长死区时间可以令LC滤波电路中的电感电流减小至零，较小的长死区时间不令LC滤波电路中的电感电流减小至零即可。
进一步地，死区设置模块还可以通过调节这两类大小不等的长死区时间的比例(例如通过调节这两类长死区时间的出现频次)，以调节混合导通模式中连续导通和不连续导通的比例。
本发明另一实施例中，交流开关电源工作在混合导通模式的控制过程为：死区设置模块设置一类固定时长的长死区时间；上、下桥臂开关管切换过程中，LC滤波电路中的电感电流经上桥臂或下桥臂的二极管并不断减小；若电感电流大于电流阈值(例如电感电流处于电流波峰处)，开关管在电感电流未减小至零时导通，即电感电流工作于连续导通模式；若电感电流不大于电流阈值(例如电感电流处于零电流附近)，开关管在电感电流减小至零时导通，即电感电流工作于不连续导通模式；由此，控制开关管工作在混合导通模式。电流阈值是与具体应用场景相关的值，其只是用于说明上、下桥臂开关管切换时，若此时的电感电流较大，电感电流工作于连续导通模式，否则，电感电流工作于不连续导通模式，实现开关管的混合导通。
以半桥拓扑为例介绍电感电流断续+连续(混合导通模式)的实现过程。电感电流断续的实现过程与上文记载的电感电流断续的实现过程相同，此处不再赘述；电感电流连续的实现过程为：当电感电流过大或死区时间较小时，电感电流还未降到零开关管已经导通，便实现了电流部分断续的混合导通模式。混合导通模式的优势在于电感电流的峰值较断续模式下更小，从而可降低开关器件和电感的电流应力，从而减小电感损耗、开关管的关断损耗和通态损耗。因此，合适比例的混合导通模式更有利于实现高效率。
根据本发明的实施例，死区设置模块还用于调节长死区时间，使得长死区时间大于开关管的驱动时长，开关管保持关断以减小开关管的导通关断次数。由于电感电流在死区期间，无论方向如何，其值均不断减小，因此，死区起到与阻碍电感电流的对应控制序列相同的效果，由于该替代性，死区时间可超过开关管的驱动时长，开关管将保持关断，进而减小开关管的导通关断次数从而降低开关管损耗。
本发明一实施例中，交流开关电源为交流电压源，如图1所示。交流电压源还包括电压采样模块，电压采样模块用于对逆变模块LC滤波后的电压信号进行采样，外环控制模块用于对采样得到的电压信号进行PID控制后输出。
具体地，参阅图1，交流电压源包括桥式逆变电路、LC滤波电路、负载、采样模块、电压采样模块、外环控制模块、内环控制模块、死区设置模块和驱动环节。电压采样模块对LC滤波后流过负载两端的电压信号进行采样；外环控制模块将电压采样模块采样得到的电压信号与输入的基准信号相减后进行PID调节后输出；采样模块对桥臂中点的电压信号进行采样；内环控制模块对外环控制模块输出的信号与采样模块采样得到的电压信号之间的差值进行积分、比较转换得到驱动逻辑信号；死区设置模块设置长时间死区，驱动逻辑信号经该长时间死区后通过驱动环节驱动桥式逆变电路中的开关管，使得桥式逆变电路输出的交流电流等于目标交流电流。
本发明另一实施例中，交流开关电源为交流电流源，如图2所示。交流电流源还包括电流采样模块，电流采样模块用于对逆变模块LC滤波后的电流信号进行采样，外环控制模块用于对采样得到的电流信号进行PID控制后输出。
具体地，参阅图2，交流电流源包括桥式逆变电路、LC滤波电路、负载、采样模块、电流采样模块、外环控制模块、内环控制模块、死区设置模块和驱动环节。电流采样模块对LC滤波后流过负载上的电流信号进行采样；外环控制模块将电流采样模块采样得到的电流信号与输入的基准信号相减后进行PID调节后输出；采样模块对桥臂中点的电压信号进行采样；内环控制模块对外环控制模块输出的信号与采样模块采样得到的电压信号之间的差值进行积分、比较转换得到驱动逻辑信号；死区设置模块设置长时间死区，驱动逻辑信号经该长时间死区后通过驱动环节驱动桥式逆变电路中的开关管，使得桥式逆变电路输出的交流电流等于目标交流电流。
交流开关电源中，内环控制模块采用的delta-sigma调制模型如图9所示，K代表环路积分器的等效增益，e-st代表时延，其注入噪声源的模型是时域的，因此，适用于分析断续模式下逆变器的状态，由此解决了电感电流断续模式下依据状态方程得到的数学模型为非线性的、时变的，无法与连续电流模式下的数学模型统一的问题，使得***便于分析控制，为PID等控制的高级控制建立分析基础。
参阅图3，示出的delta-sigma+PID电压双环控制下的输出电压uo、输出电流io、电感电流iL和开关管电压uG1的实验波形图。图3所示波形图中，电压总谐波失真(TotalHarmonic Distortion，THD)为0.287％，效率为94.8％。
对于delta-sigma控制，增加环路时延，实现电感电流混合导通，此时输出电压uo、输出电流io、电感电流iL和开关管电压uG1的实验波形如图4所示。图4所示波形图中，THD仅为1.09％，效率为94.9％，可以看出长时延模式实现混合导通模式会极大地影响电源精度。
对于delta-sigma控制，增加本实施例中提出的长死区时间，实现电感电流混合导通，此时输出电压uo、输出电流io、电感电流iL和开关管电压uG1的实验波形如图5所示。图5所示波形图中，THD为0.432％，效率为94.9％，可以看出本实施例中的长死区时间模式可以保持较高的电压源精度和高效率。
对比图4和图5，可以看出，在实现同样的开关频率下，相较于增加环路时延实现电感电流断续，本实施例中增加死区实现电感电流断续可以实现更高的精度。对比图3和图5，可以看出，delta-sigma+PID双环控制可以在实现断续的基础上进一步提高精度，由此实现高精度高效率的交流电源。
进一步地，在delta-sigma电压内环、PID电流外环控制下，增加本实施例中提出的长死区时间，实现电感电流混合导通，此时输出电压uo、输出电流io、电感电流iL和开关管电压uG1的实验波形如图6所示。图6所示波形图中，THD为0.212％，效率为94.8％，可以看出本实施例中的长死区时间模式可以实现高精度、高效率的交流电流源。
对于图3所示delta-sigma+PID电压双环控制，内环控制增加较低延时，其输出波形如图7所示，图7中平均开关频率为90kHz，导致高开关频率，电压THD为0.089％。图7所示结果中，由于开关频率较高，电感电流大部分情况下并未实现断续，其开关管导通为硬开通，效率仅为82.5％。对比图6和图7可知，与在delta-sigma+PID内环控制增加较低延时相比，本实施例中，delta-sigma+PID在长死区时间模式下，其控制有着高效率的优势，并且其精度依然较高。
此外，在delta-sigma控制下，增加本实施例中提出的长死区时间，实现电感电流混合导通，此时输出电压uo、输出电流io、电感电流iL和桥臂中点电压uG1′的实验波形如图8所示，可以看出实现了电感电流的断续，上开关管在电感电流为零时开通，实现了零电流开通。
本实施例中，由于delta-sigma调制具备噪声整形的特性，可有效抑制桥臂中点量化、死区效应等各类误差，由此可实现高精度的逆变电源。外环PID控制模块通过采样输出电压或电流，从而实现高精度的电压源或电流源。死区设置模块通过设置长时间的死区以降低开关频率，从而实现电感电流断续和/或部分断续，有效降低了开关损耗，减小开关管的导通关断次数从而降低开关管损耗。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，其特征在于，包括：
逆变模块，包括桥式逆变电路以及与所述桥式逆变电路桥臂中点相连的LC滤波电路；
外环控制模块，用于对所述逆变模块中LC滤波后的信号进行PID控制后输出；
内环控制模块，用于对所述逆变模块中LC滤波前的信号和所述外环控制模块输出的信号之间的差值进行delta-sigma调制后输出驱动逻辑信号；死区设置模块，连接在所述内环控制模块和所述桥式逆变电路之间，用于设置长死区时间，所述长死区时间的范围为5μs-500μs；
所述内环控制模块输出的驱动逻辑信号经所述长死区时间后驱动所述桥式逆变电路中的开关管，使得所述开关管的工作模式为混合导通模式或断续模式，并将输入的交流信号转换为直流信号后输出。
2.如权利要求1所述的基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，其特征在于，所述开关管反向并联有二极管，所述死区设置模块用于调大所述长死区时间，使得所述长死区时间内，所述LC滤波电路中的电感电流经上桥臂或下桥臂的二极管并不断减小至零，以控制所述开关管工作在断续模式，实现零电流开通。
3.如权利要求1所述的基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，其特征在于，所述开关管反向并联有二极管，所述死区设置模块还用于设置两类大小不等的长死区时间；
所述LC滤波电路中的电感电流经上桥臂或下桥臂的二极管并不断减小，较小的长死区时间内，所述开关管在电感电流未减小至零时导通，较大的长死区时间内，所述开关管在电感电流减小至零时导通，以控制所述开关管工作在混合导通模式。
4.如权利要求3所述的基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，其特征在于，所述死区设置模块还用于调节所述两类大小不等的长死区时间的比例，以调节所述混合导通模式中连续导通和不连续导通的比例。
5.如权利要求1所述的基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，其特征在于，所述开关管反向并联有二极管，所述死区设置模块还用于设置固定时长的长死区时间；
上、下桥臂开关管切换过程中，所述LC滤波电路中的电感电流经上桥臂或下桥臂的二极管并不断减小，若电感电流大于电流阈值，所述开关管在电感电流未减小至零时导通，否则，所述开关管在电感电流减小至零时导通，以控制所述开关管工作在混合导通模式。
6.如权利要求1所述的基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，其特征在于，所述开关管反向并联有二极管，所述死区设置模块还用于调节所述长死区时间，使得所述长死区时间大于所述开关管的驱动时长，所述开关管保持关断以减小所述开关管的导通关断次数。
7.如权利要求1-6任一项所述的基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，其特征在于，所述交流开关电源为交流电压源，所述交流电压源还包括电压采样模块，所述电压采样模块用于对所述逆变模块LC滤波后的电压信号进行采样，所述外环控制模块用于对采样得到的电压信号进行PID控制后输出。
8.如权利要求1-6任一项所述的基于长死区时间实现混合导通模式的交流开关电源，其特征在于，所述交流开关电源为交流电流源，所述交流电流源还包括电流采样模块，所述电流采样模块用于对所述逆变模块LC滤波后的电流信号进行采样，所述外环控制模块用于对采样得到的电流信号进行PID控制后输出。
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