CN113904550A - 一种pwm控制的隔离式谐振变换器 - Google Patents

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张泰峰
张明
王超
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Abstract

本发明公开了一种PWM控制的隔离式谐振变换器，属于空间电能变换技术技术领域，包括：与直流电源连接的Buck变换器；控制Buck变换器工作状态的Buck变换器驱动电路；与负载连接的谐振变换器；控制谐振变换器工作状态的谐振变换器驱动电路；反馈控制环路；反馈控制环路接收谐振变换器输出的电流信号Iout和电压信号Vout，通过闭环反馈控制直流源连接的Buck变换器的占空比，实现闭环控制。本申请综合考虑到能够谐振变换器各种的优点和空间应用的特殊需求，级联拓扑前级为Buck变换器，后级为隔离谐振变换器。前级为Buck后级为隔离谐振变换器的级联结构避免空间领域无法选择高压MOS管的困局。

Description

一种PWM控制的隔离式谐振变换器
技术领域
本发明属于空间电能变换技术技术领域，具体涉及一种PWM控制的隔离式谐振变换器。
背景技术
谐振变换器因其效率高、功率密度高和软开关范围广等优点，在民用领域如充电桩、车载和通信等领域均取得了广泛的应用。谐振变换器一般采用变频控制(pulsefrequency modulation，简称PFM)来实现稳压稳流的闭环控制。
采用PFM控制的谐振变换器具有以下四个劣势：第一、PFM控制可能会导致工作范围频率过宽甚至是无法实现稳压稳流的需求；第二、PFM控制对磁性元件也提出了一定的挑战，无法做到全工作范围的效率最优；第三、变换器开关频率范围宽造成反馈控制环路难以设计；第四、加大产品抑制电磁干扰(electromagnetic interference简称EMI)的滤波器的设计难度。
在航天领域，无相应变频控制驱动的解决方案。在民用领域，半导体厂商均有相应谐振变换器控制芯片与数字信号处理器实现PFM控制的方案，并且得到了广泛的应用。但是在航天领域，因其工作环境的特殊性，至今尚无相应的产品。因此，如何采用PWM实现的隔离式谐振变换器闭环输出是一个关键的问题。
通过两级变换器实现稳压稳流等需求的隔离电源已经得到了广泛的应用，但是现有的两级功率中控制环路的实现均完全独立。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，综合考虑到能够谐振变换器各种的优点和空间应用的特殊需求，提出了一种PWM控制的隔离式谐振变换器，即PWM两级拓扑级联结构的隔离式谐振变换器。级联拓扑前级为Buck变换器，后级为隔离谐振变换器。前级为Buck后级为隔离谐振变换器的级联结构避免空间领域无法选择高压MOS管的困局。
PWM，即采用脉宽调制(pulse width modulation)；
本发明的目的是提供一种PWM控制的隔离式谐振变换器，包括：
与直流电源连接的Buck变换器；
控制所述Buck变换器工作状态的Buck变换器驱动电路；
与负载连接的谐振变换器；
控制所述谐振变换器工作状态的谐振变换器驱动电路；
反馈控制环路；其中：
所述反馈控制环路接收谐振变换器输出的电流信号Iout和电压信号Vout；通过闭环反馈控制直流源连接的Buck变换器的占空比，实现闭环控制。
优选地，所述Buck变换器包括第五功率MOS管、第六功率MOS管、第二滤波电感、第五功率二极管和第三滤波电容；直流电源的正极端子分别与所述第五功率MOS管的漏极、第六功率MOS管的漏极连接，所述第五功率MOS管的源极、第六功率MOS管的源极分别与第五功率二极管的阴极连接，直流电源的负极端子与第五功率二极管的阳极连接，第五功率二极管的阳极通过第三滤波电容、第二滤波电感与第五功率二极管的阴极连接.
优选地，所述Buck变换器驱动电路包括与反馈控制环路进行数据交互的PWM驱动芯片、变压器隔离驱动电路；所述变压器隔离驱动电路的输出端子分别与第五功率MOS管的栅极、第六功率MOS管的栅极连接。
优选地，所述谐振变换器包括第一功率MOS管、第二功率MOS管、第三功率MOS管、第四功率MOS管、第一谐振电感、第一谐振电容、第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管、第四功率二极管、第二滤波电容和变压器；其中：所述第一功率MOS管的漏极和第三功率MOS管的漏极连接，所述第一功率MOS管的源极和第二功率MOS管的源极连接，所述第三功率MOS管的源极和第四功率MOS管的源极连接，所述所述第二功率MOS管的栅极和第四功率MOS管的栅极连接，所述第一功率MOS管的源极通过第一谐振电感与变压器的原侧第一端子连接，所述第三功率MOS管的源极通过第一谐振电容与变压器的原侧第二端子连接，所述变压器副侧的第一端子分别与第一功率二极管的阳极、第二功率二极管的阴极连接，所述变压器副侧的第二端子分别与第三功率二极管的阳极、第四功率二极管的阴极连接，所述第一功率二极管的阴极通过第二滤波电容与第二功率二极管的阳极连接，所述第三功率二极管的阴极通过第二滤波电容与第四功率二极管的阳极连接。
优选地，所述谐振变换器驱动电路包括与反馈控制环路进行数据交互的PWM驱动芯片、变压器隔离驱动电路。
本申请的有益效果是：
本发明提出的隔离式谐振变换器直接将后级输出的电压电流信号用于前级变换器的控制环路，简化了控制环路。
本发明具有效率高，控制方式简单，反馈环路简单、磁性元件涉及简单、软开关范围宽和适合空间环境应用等优点。
1.开关频率固定，降低了反馈控制环路的设计难度。
2.本发明降低了变压器与电感等磁性元件的设计难度。
3.本发明在宽输入电压，宽输出电压和宽负载变换范围的情况下，均可以实现软开关。
4.本发明降低变换器EMI滤波器的设计难度。
5.本发明提出的变换器适合航天领域需求高压电源场合，如电推进电源处理单元和行波管电源。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明优选实施例的电路框图；
图2为本发明优选实施例中功率部分原理框图；
图3是本发明中前级中Buck变换器及其驱动电路的原理框图；
图4是PWM控制的谐振隔离式变换器中谐振变换器及其驱动电路的原理框图；
图5是本发明中变换器中控制环路的原理框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本发明列举的电路图中电阻、二极管、功率管等元器件，也可以是等效电阻、二极管、功率管组合网络，但以本发明电路图最为简洁。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参阅图2，一种PWM控制的隔离式谐振变换器，将两级变换器级联，采用PWM控制；通过两个变换器级联的方式实现：前级为Buck变换器，后级为谐振变换器。该技术方案主要包括如下五个部分：分别为Buck变换器、谐振变换器、Buck变换器驱动电路、谐振变换器驱动电路和反馈控制环路。首先对后级谐振变换器进行设计，使得谐振变换器工作在最佳的谐振工作点，使得在不同输入电压，不同负载变换器的情况下，谐振变换器开关管可以实现零电压开通，整流输出二极管均可以实现零电流关断。
如图1所示：本发明整个***框图可以分为五个部分，第一部分为Buck变换器，第二部分为隔离式谐振变换器(示意图以LLC谐振变换器为例)，第三部分为Buck变换器的驱动电路，第四部分为谐振变换器的驱动电路，第五部分为隔离式谐振变换器的反馈控制环路。其中：
Buck变换器与直流电源连接；
Buck变换器驱动电路控制所述Buck变换器工作状态；
谐振变换器与负载连接；
谐振变换器驱动电路控制所述谐振变换器工作状态；
反馈控制环路；本优选实施例的工作原理为：
所述反馈控制环路接收谐振变换器输出的电流信号Iout和电压信号Vout；通过
如图2所示：功率部分由Buck变换器与谐振变换器组成。Buck变换器接收来自buck驱动电路的驱动信号。谐振变换器接收来自谐振变换器驱动电路的驱动信号。输出电压电流信号作为反馈控制信号给反馈控制环路。
如图3所示：Buck变换器和Buck变换器驱动电路示意图。输入直流源经过功率第五MOS管M5和第六MOS管M6、第五功率二极管D5、第二滤波电感L2和第三滤波电容C3所组成的Buck电路。来自反馈环路的VEAR信号进入Buck变换器驱动电路后与PWM驱动芯片的三角波做运算后，产生占空比信号，经过隔离信号变压器驱动后，作为Buck变换器中的功率MOS管开通关断的信号。通过Buck变换器驱动信号占空比的变化，从而改变了Buck变换器输出低于输入直流源的电压。Buck变换器输出的电压作为第二级谐振变换器的输入源。
图4给出谐振变换器和谐振变换器驱动电路示意图。谐振变换器包括第一功率MOS管M1、第二功率MOS管M2、第三功率MOS管M3、第四功率MOS管M4、第一谐振电感L1、第一谐振电容C1、变压器T1、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4和输出第二滤波电容C2。经第二滤波电容C2滤波后的电压为输出电压。谐振变换器的驱动由相应的PWM驱动芯片产生PWM波，经过隔离变压器驱动后驱动谐振变换器第一功率MOS管M1、第二功率MOS管M2、第三功率MOS管M3、第四功率MOS管M4。在输入电压，输出电压和负载变化的各种情况下，谐振变换器驱动始终为频率固定，占空比接近50％的方波信号。输出电压与输出电流作为反馈控制信号给到了反馈环路控制部分。
图5给出反馈控制环路和Buck驱动电路示意框图。电压信号与输出电压基准做PI运算获得输出母线电压误差信号VMEA。输出电流信号采样信号母线误差信号VMEA经过一个反馈补偿网络获得VEAR信号。同时，本反馈环路具有限流输出的功能。VMEA接二极管输入端，给定电流基准接二极管输出端。当出现负载过重或者短路情况时，输出电流达到给设定的电流基准，VMEA被给定的电流基准箝位，变换器工作在限流模式，从而保护了整个变换器。
本发明附图1中描述的谐振变换器包含串联谐振变换器、并联谐振变换器、串并联谐振变换器、LLC谐振变换器、LCC谐振变换器、LCL谐振变换器和CLLC谐振变换器等。
本文中附图5中所涉及到的电压信号采样电路包含了电压采样，电阻分压采样等电压信号调理电路。本发明附图5中所涉及的电流信号采样电路也包含了电流霍尔采样和电阻采样的电流信号调理电路。
本发明提出的级联变换器与传统的级联变换器反馈控制环路设计不同，传统的设计级联的变换器均有独立的反馈控制环路。本发明提出的变换器后级谐振变换器工作在定频工作模式下，且驱动占空比接近50％，在输入输出变化的情况下，后级谐振变换器的工作频率与占空比均保持不变。后级的电压电流信号直接作用与反馈控制环路，反馈控制环路直接调节前级变换器，实现稳压稳流的闭环控制。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种PWM控制的隔离式谐振变换器，其特征在于，至少包括：
与直流电源连接的Buck变换器；
控制所述Buck变换器工作状态的Buck变换器驱动电路；
与负载连接的谐振变换器；
控制所述谐振变换器工作状态的谐振变换器驱动电路；
反馈控制环路；其中：
所述反馈控制环路接收谐振变换器输出的电流信号Iout和电压信号Vout，通过闭环反馈控制直流源连接的Buck变换器的占空比，实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述的PWM控制的隔离式谐振变换器，其特征在于：所述Buck变换器包括第五功率MOS管、第六功率MOS管、第二滤波电感、第五功率二极管和第三滤波电容；直流电源的正极端子分别与所述第五功率MOS管的漏极、第六功率MOS管的漏极连接，所述第五功率MOS管的源极、第六功率MOS管的源极分别与第五功率二极管的阴极连接，直流电源的负极端子与第五功率二极管的阳极连接，第五功率二极管的阳极通过第三滤波电容、第二滤波电感与第五功率二极管的阴极连接。
3.根据权利要求2所述的PWM控制的隔离式谐振变换器，其特征在于：所述Buck变换器驱动电路包括与反馈控制环路进行数据交互的PWM驱动芯片、变压器隔离驱动电路；所述变压器隔离驱动电路的输出端子分别与第五功率MOS管的栅极、第六功率MOS管的栅极连接。
4.根据权利要求1所述的PWM控制的隔离式谐振变换器，其特征在于：所述谐振变换器包括第一功率MOS管、第二功率MOS管、第三功率MOS管、第四功率MOS管、第一谐振电感、第一谐振电容、第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管、第四功率二极管、第二滤波电容和变压器；其中：所述第一功率MOS管的漏极和第三功率MOS管的漏极连接，所述第一功率MOS管的源极和第二功率MOS管的源极连接，所述第三功率MOS管的源极和第四功率MOS管的源极连接，所述所述第二功率MOS管的栅极和第四功率MOS管的栅极连接，所述第一功率MOS管的源极通过第一谐振电感与变压器的原侧第一端子连接，所述第三功率MOS管的源极通过第一谐振电容与变压器的原侧第二端子连接，所述变压器副侧的第一端子分别与第一功率二极管的阳极、第二功率二极管的阴极连接，所述变压器副侧的第二端子分别与第三功率二极管的阳极、第四功率二极管的阴极连接，所述第一功率二极管的阴极通过第二滤波电容与第二功率二极管的阳极连接，所述第三功率二极管的阴极通过第二滤波电容与第四功率二极管的阳极连接。
5.根据权利要求4所述的PWM控制的隔离式谐振变换器，其特征在于：所述谐振变换器驱动电路包括与反馈控制环路进行数据交互的PWM驱动芯片、变压器隔离驱动电路。
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