CN114244141B - 一种三电平半桥数字电路及其电压双闭环调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三电平半桥数字电路及其电压双闭环调节方法，所述电路包括输入电路、输出电路、运算放大器一和运算放大器二，输入电路包括母线以及串联的电容C1和电容C2，电容C1一端与母线正极连接，电容C2一端与母线负极连接，运算放大器一的正负极分别与母线的正极和负极连接，运算放大器二的正极与电容C1和电容C2的中间节点连接，负极与母线的负极连接，运算放大器一和运算放大器二的输出端均连接有控制单元。本发明采用电压双闭环脉宽调制***，目的为实现对三电平半桥电路上下桥臂驱动波形进行误差矫正，解决三电平半桥电路在实际应用中，存在的上下桥臂能量不一致、中性点电压不稳定、均压电容分压不均的异常现象。

Description

一种三电平半桥数字电路及其电压双闭环调节方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种三电平半桥数字电路及其电压双闭环调节方法。
背景技术
随着电力电子行业的发展，对高压输入低压输出、低压输入高压输出的开关电源需求愈来愈旺盛。在高压电路中，功率器件选型范围面很窄，随着电压升高，功率器件的性能参数均有大幅度下滑，同时磁性元器件设计难度增加，由于电压隔离问题，高压电路中的磁性元器件普遍存在体积庞大等问题。三电平电路中功率器件承受的电压应力为输入的一半，所以相比于传统的两电平拓扑，三电平拓扑在此类场景应用中具有无可比拟的优势，极大幅度降低了器件选型难度，磁性元器件设计难度，降低了损耗，扩大了应用场景。常见的三电平电路拓扑有三电平半桥、三电平Buck、三电平Boost等。
三电平半桥电路广泛应用于高压输入低压输出的开关电源中，三电平半桥电路在高压开关电源中具备开关管实际的电压应力小（开关管承受输入电压一半的应力），实现软开关较为简单，效率较高等优点，解决了高压开关电源***中功率器件选型困难和损耗大等相关问题，常用的单闭环三电平半桥电路主拓扑如图1所示。现有的闭环反馈***普遍为根据后级输出电压反馈来调节前级输入的驱动波形，此种闭环***无法解决三电平半桥电路上下桥臂实际驱动波形存在少量误差的这种现象，工程中常见措施有以下几种方法：
一：增加假负载和钳位电路，优化PCB板布局，上下桥臂的驱动回路长短严格保持一致，对应用的器件进行筛选，此种方法较为简单，缺点为在实际电路中作用有限，损耗大，受限值较大，应用效果不佳。
二：人为的进行误差校准，通过不断测试估算出误差范围，使用软件对半个桥臂驱动波形进行定量的数字量补偿（例如恒定增加某半个桥臂的导通时间），此方法可基本解决这种问题，但是缺点为每台机器、不同应用场景情况均有所不同，实际生产时工作量较大，实用性较差。
无论何种三电平拓扑，均普遍存在中点电位不平衡现象，尤其当上下桥臂的驱动波形导通时间不完全一致时，很容易造成上下桥臂工作时能量消耗不一致，从而造成中点电压的偏移和输入母线均压电容的分压不均。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种三电平半桥数字电路及其电压双闭环调节方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三电平半桥数字电路，包括输入电路、输出电路、运算放大器一和运算放大器二；
所述输入电路包括母线以及串联的电容C1和电容C2，所述电容C1一端与母线正极连接，所述电容C2一端与母线负极连接；
所述运算放大器一的正负极分别与母线的正极和负极连接，所述运算放大器二的正极与电容C1和电容C2的中间节点连接，负极与母线的负极连接，所述运算放大器一和运算放大器二的输出端均连接有控制单元；
所述输入电路还包括依次串联的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4，所述开关管Q1一端与母线正极连接，所述开关管Q4一端与母线负极连接，所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均连接有脉宽调制解调器；
所述控制单元一端与脉宽调制解调器连接，另一端连接有隔离闭环反馈单元；
所述隔离闭环反馈单元与输出电路连接。
优选的，所述输入电路还包括串联的二极管D1和二极管D2，所述二极管D1的正极与二极管D2的负极连接，所述二极管D1的负极与开关管Q1和开关管Q2的中间节点连接，所述二极管D2的正极与开关管Q3和开关管Q4的中间节点连接，所述二极管D1和二极管D2的中间节点与电容C1和电容C2的中间节点连接。
优选的，所述二极管D1和二极管D2的中间节点还与开关管Q2和开关管Q3的中间节点连接，所述开关管Q2和开关管Q3的中间节点连接有串联的电感L1和变压器T1的主线圈，所述主线圈远离电感L1的一端与二极管D1和二极管D2的中间节点连接。
优选的，所述输出电路包括变压器T1的上副线圈、下副线圈和电解电容C3，所述上副线圈和下副线圈串联，所述电解电容C3的负极与上副线圈和下副线圈的中间节点连接。
优选的，所述电解电容C3的正极连接有电感L2，所述电感L2一端分别连接有二极管D3和二极管D4，所述二极管D3一端与上副线圈连接，所述二极管D4一端与下副线圈连接。
优选的，所述控制单元包括单片机，所述隔离闭环反馈单元包括光纤传感器。
一种三电平半桥数字电路的电压双闭环调节方法，包括以下步骤：
PWM驱动初始化，随后控制单元开始闭环控制；
闭环控制开始后，控制单元通过隔离闭环反馈单元检测输出电路的输出电压Vout，通过运算放大器一和运算放大器二分别得到母线电压Vin和电容C2的电压Vc2；
比较输出电压Vout与额定值范围，若输出电压Vout大于额定值最大值则进行PID调节模式一，若输出电压Vout小于额定值最小值则进行PID调节模式二，同时比较电容C2电压Vc2与中点电压，若电容C2电压Vc2大于中点电压，则进行PID调节模式三，若电容C2电压Vc2小于中点电压则进行PID调节模式四；
将PID调节模式一、PID调节模式二、PID调节模式三和PID调节模式四的运行结果以及输出电压Vout位于额定值范围且电容C2电压Vc2等于中点电压的结果返回控制单元进行采样反馈；
将PID调节模式一和PID调节模式二的运行结果通过运算放大器一和运算放大器二返回至开始闭环控制，将PID调节模式三和PID调节模式四的运行结果通过隔离闭环反馈单元返回至开始闭环控制，将Vout位于额定值范围且Vc2等于中点电压的结果运行至结束。
优选的，所述PID调节模式一为等量减小开关管Q1和开关管Q4的占空比，所述PID调节模式二为等量的增大开关管Q1和开关管Q4的占空比，所述PID调节模式三为减小开关管Q1占空比且等量增大开关管Q4占空比，所述PID调节模式四为增大开关管Q1占空比，等量减小开关管Q4占空比。
优选的，所述PID调节模式一、PID调节模式二、PID调节模式三和PID调节模式四均通过脉宽调制解调器进行。
优选的，所述中点电压的值为：
Figure 586923DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，Vin为母线电压，ΔV为滞环电压，V中点为中点电压。
优选的，所述PID调节模式三的执行条件为：
Figure 556016DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，Vc2为电容C2的电压，Vin为母线电压，ΔV为滞环电压；
所述调节模式四的执行条件为：
Figure 383157DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，Vc2为电容C2的电压，Vin为母线电压，ΔV为滞环电压。
本发明的有益效果：
1、本发明采用电压双闭环脉宽调制***，目的为实现对三电平半桥电路上下桥臂驱动波形进行误差矫正，解决三电平半桥电路在实际应用中，存在的上下桥臂能量不一致、中性点电压不稳定、均压电容分压不均的异常现象；
2、本发明经过改进后，在半桥三电平数字电路中，同时采集输出反馈电压和输入中点反馈电压，Q1和Q4驱动脉宽根据中点反馈电压环和输出反馈电压环同时进行调节，形成双电压环的闭环工作***，使得三电平上管和下管的实际驱动脉宽严格保持一致，上下桥臂的能量严格保持一致。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有的一种三电平半桥数字电路图；
图2示出了本发明的一种三电平半桥数字电路图；
图3示出了本发明的一种三电平半桥数字电路电压双闭环调节方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
一种三电平半桥数字电路，如图2所示，包括输入电路、输出电路、运算放大器一和运算放大器二；
输入电路包括母线以及串联的电容C1和电容C2，电容C1一端与母线正极连接，电容C2一端与母线负极连接；
运算放大器一的正负极分别与母线的正极和负极连接，运算放大器二的正极与电容C1和电容C2的中间节点连接，负极与母线的负极连接，运算放大器一和运算放大器二的输出端均连接有控制单元；
输入电路还包括依次串联的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4，开关管Q1一端与母线正极连接，开关管Q4一端与母线负极连接，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均连接有脉宽调制解调器；
控制中心一端与脉宽调制解调器连接，另一端连接有隔离闭环反馈单元；
隔离闭环反馈单元与输出电路连接。
需要说明的是电容C1和电容C2主要起到均压的作用，如图2所示，在图1的基础上增加两组输入前级电压检测，分别将检测到的输入母线电压和电容中点电压传递给控制中心，形成一个新的电压闭环反馈。开关管Q2和Q3依然为恒定的互补波形，开关管Q1和Q4根据输出电压反馈同时增加或者减少等量的占空比，简称电压闭环反馈一。同时Q1和Q4根据输入和中点电压反馈反向增减等量的占空比（Q1增加，Q4即减小），简称电压闭环反馈二。
需要进一步说明的是，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均为MOSFET。
进一步地，输入电路还包括串联的二极管D1和二极管D2，二极管D1的正极与二极管D2的负极连接，二极管D1的负极与开关管Q1和开关管Q2的中间节点连接，二极管D2的正极与开关管Q3和开关管Q4的中间节点连接，二极管D1和二极管D2的中间节点与电容C1和电容C2的中间节点连接。
需要说明的是，二极管D1和二极管D2构成了钳位二极管电路，使二者中间节点的电压始终保持在钳位。
进一步地，二极管D1和二极管D2的中间节点还与开关管Q2和开关管Q3的中间节点连接，开关管Q2和开关管Q3的中间节点连接有串联的电感L1和变压器T1的主线圈，所述主线圈远离电感L1的一端与二极管D1和二极管D2的中间节点连接。
需要说明的是，开关管Q2和开关管Q3的中间节点的电压与钳位二极管的钳位电压保持一致。
进一步地，输出电路包括变压器T1的上副线圈、下副线圈和电解电容C3，上副线圈和下副线圈串联，电解电容C3的负极与上副线圈和下副线圈的中间节点连接。
需要说明的是，电解电容C3的正负极是固定的，电容C1和电容C2的正负极是可以变化的。
进一步地，电解电容C3的正极连接有电感L2，电感L2一端分别连接有二极管D3和二极管D4，二极管D3一端与上副线圈连接，二极管D4一端与下副线圈连接。
需要说明的是，变压器副线圈正负极交替进行，D3和D4交替工作，续流电感L2和输出电解电容C3起到滤波作用，抑制输出电压和输出电流的变化，使得输出电压纹波小于1%，即输出电压纹波小于Vout的1%。
进一步地，控制单元包括单片机，隔离闭环反馈单元包括光纤传感器。
需要说明的是，该三电平电路在各时段的工作过程如下：
Time1时段：开关管Q1和Q2同时导通，Q3和Q4关断，此阶段为上桥臂工作阶段，输入端电流方向由输入正端开始，顺时针经过Q1、Q2 、L1、T1和C2，回到输入端负端；
Time2时段：开关管Q2单独导通，Q1、Q3和Q4同时关断，此阶段为上桥臂续流阶段，由于电感阻碍电流变化特性，Q1关断后变压器电压立刻反向，电流方向不变，输入端2脚为正，1脚为负，电流方向从变压器输入端2脚开始，流过钳位二极管D1和开关管Q2，再流过谐振电感L1，最后回到变压器输入端1脚；
Time3时段：开关管Q1、Q2、Q3和Q4同时关断，此阶段为死区时间，谐振电感的能量为Q3和Q4的结电容反向充电，实现Q3和Q4零电压开通；
Time4时段：开关管Q3和Q4同时导通，Q1和Q2关断，此阶段为下桥臂工作阶段，输入端电流方向由输入正端开始，顺时针经过C1、T1、L1、Q3和Q4，回到输入端负端；
Time5时段：开关管Q3单独导通，Q1、Q2和Q4同时关断，此阶段为下桥臂续流阶段，由于电感阻碍电流变化特性，Q4关断后变压器电压立刻反向，电流方向不变，输入端1脚为正，2脚为负，电流方向从变压器输入端1脚开始，电流先流过谐振电感L1，再流过钳位开关管Q3和二极管D2，最后回到变压器输入端2脚；
Time6时段：开关管Q1、Q2、Q3和Q4同时关断，进入死区，谐振电感的能量为Q1和Q2的结电容反向充电，实现Q1和Q2零电压开通，一个周期结束。
需要进一步说明的是，Time1、Time2、Time3时间内，变压器副线圈6为正，3为负，此时D3工作，电流方向为经过D3、L2、输出负载，流向变压器的副线圈的4和5，4和5串联。Time4、Time5、Time6时间内，变压器副线圈3为正，6为负，此时D4工作，电流方向为流过D4、L2、输出负载，流向变压器的副线圈的4和5。
开关管Q2和Q3为互补的PWM波形，通过调整Q1和Q4驱动波形的脉宽来适应输出负载和电压的变化，在一个周期内，Q1和Q4导通时间需保持一致。
需要说明的是，通过对三电平半桥电路工作原理分析可知，实际上三电平半桥电路是通过两只钳位二极管和均压电容，将4只开关管最大反向应力钳位在输入电压的一半，所以均压电容的中性点电压是否稳定非常重要。当Q1和Q4的实际驱动脉宽存在误差时，上下桥臂工作时消耗的能量就不一致，导致均压电容的中性点电压不为输入电压的一半，最终导致4只开关管之间、2只钳位二极管之间的反向应力不一样，输入母线的均压电容分压不均，输出轻载时更容易受影响。在实际工况中，输出轻载时很容易造成开关管、钳位二极管和均压电容承受的电压应力超标，危害很大，因此采用双闭环调节来避免上述问题。
一种三电平半桥数字电路的电压双闭环调节方法，如图3所示，包括以下步骤：
PWM驱动初始化，随后控制单元开始闭环控制；
闭环控制开始后，控制单元通过隔离闭环反馈单元检测输出电路的输出电压Vout，通过运算放大器一和运算放大器二分别得到母线电压Vin和电容C2的电压Vc2；
比较输出电压Vout与额定值范围，若输出电压Vout大于额定值最大值则进行PID调节模式一，若输出电压Vout小于额定值最小值则进行PID调节模式二；
需要说明的是，将Vout稳定在额定值的±1%之内，例如Vout额定输出电压为270V，Vout正常变化范围为267.3V~272.7V，如果Vout>272.7V，为偏大，如果Vout<267.3V，为偏小。
同时比较电容C2电压Vc2与中点电压，若电容C2电压Vc2大于中点电压，则进行PID调节模式三，若电容C2电压Vc2小于中点电压则进行PID调节模式四；
将PID调节模式一、PID调节模式二、PID调节模式三和PID调节模式四的运行结果以及输出电压Vout位于阈值范围且电容C2电压Vc2处于中点电压合理偏差范围内的结果返回控制单元进行采样反馈；
将PID调节模式一和PID调节模式二的运行结果通过运算放大器一和运算放大器二返回至开始闭环控制，将PID调节模式三和PID调节模式四的运行结果通过隔离闭环反馈单元返回至开始闭环控制，将Vout位于阈值范围且Vc2等于中点电压的结果运行至结束。
需要说明的是，Vout与额定值范围比较以及Vc2与中点电压进行比较是同步进行的过程，两者互不干扰。
需要说明的是，所述闭环调节方法运行至结束表示一个运行周期完成，后面还会不断运行，重复这个过程。
进一步地，所述PID调节模式一为等量减小开关管Q1和开关管Q4的占空比，所述PID调节模式二为等量的增大开关管Q1和开关管Q4的占空比，所述PID调节模式三为减小开关管Q1占空比且等量增大开关管Q4占空比，所述PID调节模式四为增大开关管Q1占空比，等量减小开关管Q4占空比。
进一步地，所述PID调节模式一、PID调节模式二、PID调节模式三和PID调节模式四均通过脉宽调制解调器进行。
进一步地，所述中点电压的值为：
Figure 164382DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，Vin为母线电压，ΔV为滞环电压。
进一步地，所述PID调节模式三的执行条件为：
Figure 808990DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，Vc2为电容C2的电压，Vin为母线电压，ΔV为滞环电压；
所述调节模式四的执行条件为：
Figure 140745DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，Vc2为电容C2的电压，Vin为母线电压，ΔV为滞环电压。
需要说明的是，ΔV一般取值为1%或2%。
需要进一步说明的是，当
Figure 896212DEST_PATH_IMAGE007
，中点电压上偏，下半桥臂消耗的能量小于上半桥臂的，此时Q1占空比大于Q4的占空比，将Q1占空比减小一定数字量，同时将Q4的占空比增大等量的数字量，一个周期内的能量保持不变，避免对闭环一造成干扰，维持输出的动态品质。
当
Figure 364233DEST_PATH_IMAGE008
，中点电压下偏，下半桥臂消耗的能量大于上半桥臂的，此时Q1占空比小于Q4的占空比，将Q1占空比增大一定数字量，同时将Q4的占空比减小等量的数字量，一个周期内的能量保持不变。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种三电平半桥数字电路，其特征在于，包括输入电路、输出电路、运算放大器一和运算放大器二；
所述输入电路包括母线以及串联的电容C1和电容C2，所述电容C1一端与母线正极连接，所述电容C2一端与母线负极连接；
所述运算放大器一的正负极分别与母线的正极和负极连接，所述运算放大器二的正极与电容C1和电容C2的中间节点连接，负极与母线的负极连接，所述运算放大器一和运算放大器二的输出端均连接有控制单元；
所述输入电路还包括依次串联的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4，所述开关管Q1一端与母线正极连接，所述开关管Q4一端与母线负极连接，所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均连接有脉宽调制解调器；
所述控制单元一端与脉宽调制解调器连接，另一端连接有隔离闭环反馈单元；
所述隔离闭环反馈单元与输出电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种三电平半桥数字电路，其特征在于，所述输入电路还包括串联的二极管D1和二极管D2，所述二极管D1的正极与二极管D2的负极连接，所述二极管D1的负极与开关管Q1和开关管Q2的中间节点连接，所述二极管D2的正极与开关管Q3和开关管Q4的中间节点连接，所述二极管D1和二极管D2的中间节点与电容C1和电容C2的中间节点连接。
3.根据权利要求2所述的一种三电平半桥数字电路，其特征在于，所述开关管Q2和开关管Q3的中间节点连接有串联的电感L1和变压器T1的主线圈，所述主线圈远离电感L1的一端与二极管D1和二极管D2的中间节点连接。
4.根据权利要求1所述的一种三电平半桥数字电路，其特征在于，所述输出电路包括变压器T1的上副线圈、下副线圈和电解电容C3，所述上副线圈和下副线圈串联，所述电解电容C3的负极与上副线圈和下副线圈的中间节点连接。
5.根据权利要求4所述的一种三电平半桥数字电路，其特征在于，所述电解电容C3的正极连接有电感L2，所述电感L2一端分别连接有二极管D3和二极管D4，所述二极管D3一端与上副线圈连接，所述二极管D4一端与下副线圈连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种三电平半桥数字电路，其特征在于，所述控制单元包括单片机，所述隔离闭环反馈单元包括光纤传感器。
7.一种如权利要求1所述的三电平半桥数字电路的电压双闭环调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
PWM驱动初始化，随后控制单元开启闭环控制；
闭环控制开始后，控制单元通过隔离闭环反馈单元检测输出电路的输出电压Vout，通过运算放大器一和运算放大器二分别得到母线电压Vin和电容C2的电压Vc2；
比较输出电压Vout与额定值范围，若输出电压Vout大于额定值最大值则进行PID调节模式一，若输出电压Vout小于额定值最小值则进行PID调节模式二，同时比较电容C2电压Vc2与中点电压，若电容C2电压Vc2大于中点电压，则进行PID调节模式三，若电容C2电压Vc2小于中点电压则进行PID调节模式四；
将PID调节模式一、PID调节模式二、PID调节模式三和PID调节模式四的运行结果以及输出电压Vout位于额定值范围且电容C2电压Vc2等于中点电压的结果返回控制单元进行采样反馈；
将PID调节模式一和PID调节模式二的运行结果通过运算放大器一和运算放大器二返回至开始闭环控制，将PID调节模式三和PID调节模式四的运行结果通过隔离闭环反馈单元返回至开始闭环控制，将Vout位于额定值范围且Vc2等于中点电压的结果运行至结束。
8.根据权利要求7所述的一种三电平半桥数字电路的电压双闭环调节方法，其特征在于，所述PID调节模式一为等量减小开关管Q1和开关管Q4的占空比，所述PID调节模式二为等量的增大开关管Q1和开关管Q4的占空比，所述PID调节模式三为减小开关管Q1占空比且等量增大开关管Q4占空比，所述PID调节模式四为增大开关管Q1占空比且等量减小开关管Q4占空比。
9.根据权利要求7所述的一种三电平半桥数字电路的电压双闭环调节方法，其特征在于，所述PID调节模式一、PID调节模式二、PID调节模式三和PID调节模式四均通过脉宽调制解调器进行。
10.根据权利要求7所述的一种三电平半桥数字电路的电压双闭环调节方法，其特征在于，所述中点电压的值为：
V中点＝Vin/2±ΔV；
其中，Vin为母线电压，ΔV为滞环电压，V中点为中点电压。
11.根据权利要求10所述的一种三电平半桥数字电路的电压双闭环调节方法，其特征在于，所述PID调节模式三的执行条件为：
Vc2＞Vin/2+ΔV；
其中，Vc2为电容C2的电压，Vin为母线电压，ΔV为滞环电压；
所述调节模式四的执行条件为：
Vc2＜Vin/2-ΔV；
其中，Vc2为电容C2的电压，Vin为母线电压，ΔV为滞环电压。
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