提高原边反馈有源箝位反激变换器轻载效率的控制方法技术

本发明专利技术公开了提高原边反馈有源箝位反激变换器轻载效率的控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域。该方法通过包括采样模块和数字控制模块的系统实现，电压均值计算模块、周期控制模块、使能模块与PWM模块组成轻载模式下的控制系统，电压均值计算模块得到当前大周期输出电压均值，周期控制模块判断下一个大周期中两开关管开启周期数的调整方式，使能信号模块给出大周期的使能信号。误差计算模块、PID模块、DAC、比较器与PWM模块组成重载模式下的控制系统。通过实时比较从输出电压采样值中提取出的电流阈值与预设值得到轻载模式和重载模式的切换信号。本发明专利技术方案简单易行、成本低，能够减小轻载模式下开关损耗，提高了电路效率。

【技术实现步骤摘要】
提高原边反馈有源箝位反激变换器轻载效率的控制方法
本专利技术涉及反激变换器控制技术，特别是涉及提高原边反馈有源箝位反激变换器轻载效率的控制方法，属于发电、变电或配电的

技术介绍
电源是各个电子设备不可或缺的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及其能否安全可靠地工作，而目前的主流应用是开关电源（SwitchModePowerSupply）。开关电源又称之为开关变换器，是利用现代电力电子技术，通过调整开关器件的导通比或者频率来使输出电压恒定的一种电源。电子设备不断小型化的发展要求供电电源的体积随之小型化，电源体积的减小意味着散热能力的变差，因而要求电源的功耗变小，即在输出功率不变的前提下，效率必须提高。特别是开关电源在航空航天技术上的应用与发展对高效、小型化电源的需求十分迫切。提高开关电源的功率密度和电源转换效率以使之小型化、轻量化是人们不断努力追求的目标。在此发展背景之下，早在上个世纪九十年代就被提出的有源箝位反激变换器（ActiveClampFlyback，简称ACF）拓扑结构又重新回到开关电源设计者的视野。有源箝位反激变换器利用箝位电容与变压器漏感谐振，吸收并循环利用漏感能量。如图1所示，一种有源箝位的反激变换器电路，包括主功率电路、箝位电路、输出整流滤波电路，主功率电路由变压器原边线圈和主开关管连接而成，箝位电路由箝位开关管和箝位电容连接而成，输出整流滤波电路由输出整流二极管和输出电容连接而成。其中，Cin为输入电容，T1为变压器，Lm为变压器励磁电感，Lr为变压器漏感，VT1和VT2分别是主开关管和箝位开关管，Cr是箝位电容，D1为输出整流二极管，Co为输出电容。N为变压器原边与副边匝数比值，Vin为变压器原边输入电压，Vo为变压器副边输出电压。图2中，VGS_VT1和VGS_VT2为VT1和VT2的驱动电压波形，VDS_VT1和VDS_VT2为VT1和VT2的两端电压波形，iLm为激磁电感电流波形，iLr为漏感电流波形，ICr为流过箝位电容的电流，iD1为流过整流二极管的电流。假设主开关管VT1的占空比为D，则箝位管VT2的占空比为1-D，为了避免主开关管VT1和箝位管VT2共通，导致开关管因电流过大而击穿，两个开关管之间要加上一定的死区时间，总的工作周期为T。有源箝位反激变换器双向磁化电流模式下的主要信号波形图如图2所示。T0时刻，主开关管VT1开通，VT2关断，原边漏感电流值iLr在T0时刻之前已上升至励磁电感电流值iLm，但仍为负值。原边电流流经励磁电感、主开关管VT1，线性增长。在T1时刻主开关管VT1关断，原边励磁电流给主开关管VT1的输出电容充电,而箝位开关管VT2的输出电容放电，箝位电容Cr上电压保持不变。在T2时刻箝位开关管VT2导通，副边整流二极管已正向导通，原边励磁电感Lm两端电压被箝位在-NVo，漏感Lr与箝位电容Cr谐振，漏感电流iLr下降至反向。为原边主开关VT1的软开通做好准备。T3时刻箝位开关管VT2关断，漏感电流给箝位开关管VT2的输出电容充电，同时主开关管VT1的输出电容放电。T4时刻漏感电流iLr上升至励磁电流iLm，输出二极管电流下降为0，副边整流二极管截止。T4至T5时段内，变压器漏感与励磁电感两端电压为Vin，两者电流继续上升，主开关管VT1需要在电流再次反向前导通，保证软开关特性。由于箝位电容值较大，原边主开关管电压箝位效果好，几乎没有高频振荡，在箝位电路工作过程中，箝位开关管一直处于导通状态，体二极管不会出现反向恢复问题，电路中电流变化斜率较小，箝位管导通时间长，耗散功率低，性能较好，同时有源箝位实现了原边主开关管和箝位开关管的零电压开通（Zero-Voltage-Switching，简称ZVS），降低了开关损耗，这使得有源箝位反激变换器的高频化成为可能。但是传统反激有源箝位变换器箝位电路在空载到满载范围采用的主流控制方式是AAM(AdaptiveAmplitudeModulation，自适应幅值调节)。如图3所示，当电路负载降低时，需要调节峰值电流环路使输出电压保持稳定，励磁电流的峰值随之降低，而励磁电流最低值保持不变，使得主开关管开启时间提前，这便让两开关管的工作频率升高。较高的工作频率会使得开关管的开关损耗大大提高，这也就导致了有源箝位变换器在轻载状态下工作效率不高的问题。为解决现有的反激有源箝位变换器轻载状态下工作效率低的问题，有技术提出了非互补有源箝位的控制方式，这种方式实现了原边主管的电压箝位和零电压开通及变压器原边漏感能量的回收，同时这种控制方式可以和恒导通时间控制相结合，有效地提高了电路的满载和轻载效率，但此方法存在着箝位管开通点选取困难以及高频变压器优化设计的问题。基于此，有必要提供一种原边反馈有源箝位反激变换器的控制方法，以提高变换器工作的轻载效率。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供了提高原边反馈有源箝位反激变换器轻载效率的控制方法，实现了有源箝位变化器在轻载模式下关断部分工作周期进而减少这一时间段内电路系统的能量损耗，解决了反激变换器在轻载状态下工作效率不高的技术问题。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：本专利技术的控制方法通过包含电压采样部分、数字控制部分与驱动部分的系统进行分模式控制。电压采样部分实时采集变换器输出电压；数字控制部分首先根据变换器实时输出电压计算输出电流阈值，并根据设定的原边峰值电流最小值判断变换器的工作状态并使能对应的控制模式，当电流阈值小于设定的原边峰值电流最小值时判定变换器处于轻载状态并使能改进的PWM控制模式，当电流阈值大于设定的原边峰值电流最小值时判定变换器处于重载状态并使能常规PWM控制模式。当负载较重时，控制方式与常规PWM控制方式相同，为一种已有的AAM(AdaptiveAmplitudeModulation)控制技术，目前已经得到较为普遍的使用。通过数字控制部分中的误差计算模块，PID模块以及PWM模块实现。误差计算模块将当前大周期内的采样电压VFB(n)与设定电压Vref求差，输出放大后的误差信号e(n)，误差信号e(n)经过PID模块得到的采样电流阈值Ipeak经模拟电路中数模转换器转换后得到输入至比较器负输入端的电压阈值，原边峰值电流采样信息Vs输入至比较器的正输入端，比较器的输出连接PWM模块。当负载较轻时，本专利技术采用一种改进的PWM控制方式，通过数字控制部分中的电压均值模块、周期控制模块、使能模块以及PWM模块实现。电压均值模块的输入端接收当前大周期内的电压采样信号VFB(n)以及当前大周期的取样数目C(n)，经过计数累加及均值计算输出当前大周期采样电压的均值Vav（n）。周期控制模块将当前大周期采样电压的均值Vav（n）与设定的电压Vref进行对比：当两者数值相同时，则下一大周期的主开关管与箝位开关管的开启周期数保持不变；当Vref大于Vav（n）时，表明当前输出电压较小，需增加两管在下一大周期的开启周期数C(n+1)；当Vref小于Vav（n）时，表明当前输出电压较大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.提高原边反馈有源箝位反激变换器轻载效率的控制方法，其特征在于，从当前大周期变换器输出电压采样值中取样，计算当前大周期输出电压采样值的均值，以下一大周期的变换器输出电压跟随参考值为目标调整下一大周期变换器输出电压采样值的取样数，以下一大周期变换器输出电压采样值的取样数为主开关管和箝位开关管在下一大周期的开启周期数控制PWM的生成。/n

【技术特征摘要】
1.提高原边反馈有源箝位反激变换器轻载效率的控制方法，其特征在于，从当前大周期变换器输出电压采样值中取样，计算当前大周期输出电压采样值的均值，以下一大周期的变换器输出电压跟随参考值为目标调整下一大周期变换器输出电压采样值的取样数，以下一大周期变换器输出电压采样值的取样数为主开关管和箝位开关管在下一大周期的开启周期数控制PWM的生成。


2.根据权利要求1所述提高原边反馈有源箝位反激变换器轻载效率的控制方法，其特征在于，以下一大周期的变换器输出电压跟随参考值为目标调整下一大周期变换器输出电压采样值的取样数的方法为：
在当前大周期输出电压采样值的均值大于参考值时，减少当前大周期变换器输出电压采样值的取样数，得到下一大周期变换器输出电压采样值的取样数；
在当前大周期输出电压采样值的均值小于参考值时，增大当前大周期变换器输出电压采样值的取样数，得到下一大周期变换器输出电压采样值的取样数；
在当前大周期输出电压采样值的均值等于参考值时，保持当前大周期变换器输出电压采样值的取样数不变。


3.实现权利要求1或2所述控制方法的系统，其特征在于，包括：
电压采样模块，采集变换器辅助绕组电压，输出变压器输出电压采样值；
数字控制模块，计算当前大周期输出电压采样值的均值，以下一大周期的变换器输出电压跟随参考值为目标调整下一大周期变换器输出电压采样值的取样数，以下一大周期变换器输出电压采样值的取样数为主开关管和箝位开关管在下一大周期的开启周期数控制PWM的生成；及，
驱动模块，其输入端接数字控制模块输出的PWM，生成主开关和箝位开关管的驱动信号。


4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述数字控制模块包括：
电压均值模块，其输入端接收当...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐申，李旭涛，曹宇，孙乾坤，陈明刚，孙伟锋，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32