一种交替移相脉冲宽度调制波控制方法技术

本发明专利技术公开了一种交替移相脉冲宽度调制波控制方法，用于两相交错并联倍压Boost变换器的脉冲宽度调制（PWM）波控制，在电感电流连续模式运行时，或是占空比大于等于0.5时，以固定相移π角度的方式给两个倍压Boost变换单元的开关管提供PWM波开关指令信号，在占空比小于0.5并且电感电流断续模式运行时，采用随开关占空比而变化的浮动移相角2Dπ，以逐个开关周期交换相序的交替移相方式给两个倍压Boost变换单元的开关管提供PWM开关指令信号，控制变换器开关管的导通与关断。本发明专利技术的方法可简单、有效地克服交错并联倍压Boost变换器采用现有方法在轻载条件下所出现的倍压电容电压下降而造成开关管电压应力增加和运行性能下降的问题。

Alternating phase shift pulse width modulation wave control method

The invention discloses an alternating phase-shift pulse width modulation wave control method for two-phase interleaved double voltage Boost converter with pulse width modulation (PWM) wave control in continuous current mode of operation, or the duty ratio is greater than or equal to 0.5, the switch to fixed phase shift angle to two PI a doubling of Boost conversion unit tube provides PWM wave switch command signal, the duty ratio is less than 0.5 and the operation of the discontinuous current mode, the switch duty cycle changes with the floating phase angle of 2D PI, for each switching cycle phase alternating phase shift switching switch to two times pressure Boost unit the PWM switch tube provides command signals, control the converter switch turn-on and turn off. The method of the invention can simply and effectively overcome the interleaved Boost converter with current doubler method under light load condition the voltage drop caused by double switch voltage stress and increase operating performance decline problem.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及开关变换器的脉冲宽度调制波控制方法，尤其是用于两相交错并联的 倍压Boost变换器的交替移相脉冲宽度调制波控制方法。
技术介绍
高升压比DC-DC变换器广泛应用于电动汽车、新能源发电、不间断电源等领域，其 高直流增益通常由高频变压器、耦合电感和开关电容等方法来实现。一些在传统基本变换 电路基础上结合开关电容的混合型变换器，显示出高变换效率、低电压应力、轻便和低成本 等优点，如两相交错并联倍压Boost变换器是其典型代表。图1是两相交错并联倍压Boost 变换器主电路与控制系统框图，其中电感Li、开关管Tl与二极管D1，和电感L2、开关管T2 与二极管D2分别组成该变换器的两个并联Boost变换单元，电容CM1、二极管DMl和电容 CM2、二极管DM2组成的两个开关电容倍压电路为每个变换单元提供一级增压功能。通常， 该变换器的两个Boost变换单元采用传统的移相角为π的脉冲宽度调制(PWM)波控制，即 其开关管互差半个开关周期(Τ/2)交替工作，如图2(a)所示。在正常工作条件下，该变换 器采用交错并联方式分散了变换功率和电流、减小了输入电流和输出电压的纹波，采用倍 压电容使其输出电压为相同占空比条件下普通Boost变换器的两倍，并且倍压电容和开关 管的电压应力仅为输出电压的一半。上述特性使该变换器在大容量、高升压比、非隔离直流 变换电路中具有吸引力。但是，采用传统的移相角为π的脉冲宽度调制(PWM)波控制，两相并联Boost变 换器在轻载时会进入电流断续模式(DCM)而出现运行性能下降的问题。因为在DCM下，开 关占空比D将随着负载的减轻而变小。当开关占空比D小于一个临界值时，倍压电容电压 将随D减小而下降，造成变换器开关电压应力的上升、损耗增加等问题。这在许多轻载运行 难以避免的应用场合，如不间断电源等领域，限制了该类变换器的使用或性能发挥。因此， 有必要采用合适的控制方式解决变换器的轻载运行问题。解决轻载问题的常规方法主要有(1)增加输入电感或提高开关频率。但该方法易受器件性能限制，并且不能彻底解决变 换器的轻载运行问题。(2)增加交错并联相数。但该方法增加了元件数量，且仍不能从根本上解决轻载问题。(3)采用间歇控制。但该方法会引入较大的输入电流和输出电压纹波，并且可能引起音频噪声。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，控制两相交错并联 倍压Boost变换器的运行，克服现有方法在轻载条件下所出现的倍压电容电压下降而造成 开关管电压应力增加的问题，并且避免变换器主电路元件数量和成本增加、或电压和电流纹波、噪音等运行性能的明显下降，维持其高升压比、开关管电压应力低等特性。本专利技术的交替移相脉冲宽度调制波控制方法，包括两相交错并联倍压Boost变换 器主电路、用于输入与输出电压电流测量的检测电路、用于开关占空比计算和脉冲宽度调 制(PWM)波形发生的控制器、以及按照PWM信号控制变换器开关管工作的驱动电路，其中变 换器主电路包含相同结构的两个交错并联的倍压Boost变换单元及其公共直流输入电源、 直流输出电容与负载，每个变换单元的输入电感和输出二极管间串联了用于输出倍压的有 极性的倍压电容，其负极通过倍压二极管连接到另一个变换单元的倍压电容正极，其特征 是用于开关占空比计算和脉冲宽度调制(PWM)波形发生的控制器在占空比大于和等于0.5 时或是在电感电流连续模式运行时，以固定相移η角度的方式给两个倍压Boost变换单元 的开关管提供脉冲宽度调制波开关指令信号，在占空比小于0. 5并且电感电流断续模式运 行时，采用随开关占空比而变化的浮动移相角2DJI，以逐个开关周期交换相序的交替移相 方式给两个倍压Boost变换单元的开关管提供脉冲宽度调制波开关指令信号，控制变换器 开关管的导通与关断。本专利技术的方法解决了两相交错并联倍压Boost变换器的运行中的轻载问题，变换 器可以在较小的占空比条件下工作于DCM模式，功率开关的电压应力受到了限制，使变换 器在实现高升压比的同时选用工作电压较低的开关器件，从而优化系统设计，提高变换器 的效率和性能。本专利技术的控制方法简单可行，相比于传统的轻载问题解决方法，输入电流纹波和 输出电压纹波减小，并且开关在恒定开关频率工作，无需额外元器件或使用间歇控制，也避 免了噪音和成本增加等问题。因而比传统控制方法更加简单、有效。在系统性能改善，降低 控制系统成本的同时还提高了系统可靠性。本专利技术适用于以M0SFET、IGBT等半导体器件为功率开关的DC-DC直流变换器，用 于太阳能、燃料电池发电以及电动汽车功率变换器等各种电源系统。附图说明图1是两相交错并联倍压Boost变换器主电路与控制系统框图2(a)是现有的两相交错并联倍压Boost变换器开关管PWM指令波形图，开关指令 Si、S2为高电平时对应开关管导通，为零时对应开关管关断，两相开关PWM波相位先后差 沉角，也即时间差半个开关周期(T/2)。图2(b)是采用本专利技术方法的两相交错并联倍压Boost变换器开关管PWM指令波 形图，两相开关PWM波移相2D π角，也即时间差等于DT，并且在各开关周期中交替改变先后 顺序。图3 (a)是变换器在传统控制方式下工作于DCM时获得的实验波形。图3(b)是变换器采用本专利技术方法时工作于DCM时获得的实验波形。图4是采用本专利技术的交替移相脉冲宽度调制波形控制方法的具体图例。具体实施例方式图1是两相交错并联倍压Boost变换器主电路与控制系统框图，包括两相交错并 联倍压Boost变换器主电路、用于输入与输出电压电流测量的检测电路、用于开关占空比计算和脉冲宽度调制(PWM)波形发生的控制器、以及按照PWM信号控制变换器功率开关的 驱动电路，其中变换器主电路包含相同结构的两个交错并联的倍压Boost变换单元及其公 共直流输入电源Vin、直流输出电容Co与负载Ro，第一个倍压Boost变换单元的输入电感 Ll和输出二极管Dl间串联了用于输出倍压的有极性的倍压电容CM1，第二个倍压Boost变 换单元的输入电感L2和输出二极管D2间串联了用于输出倍压的有极性的倍压电容CM2，倍 压电容CMl负极通过倍压二极管DMl连接到另一个变换单元的倍压电容CM2正极，倍压电 容CM2负极通过倍压二极管DM2连接到另一个变换单元的倍压电容CMl正极。本专利技术的工作原理说明如下在传统的控制模式下，当两相交错并联倍压Boost变换器工作于DCM模式并且占空比 D小于0.5时，会出现两个开关管同时关断的状态，此时电感储能将通过倍压电容和输出二 极管向输出端释放，并伴随着倍压电容的放电。由于给倍压电容充电的能量来源是另一相 变换单元的电感储能，并且充电是在该倍压电容所在变换单元的开关管导通时才能实现， 而此前两个开关管同时关断时另一相变换单元的电感储能向输出端释放。因此，伴随着D 的继续减小，开关管导通给电感充磁的时间减小，而两个开关管同为断态的时间增加，将造 成倍压电容放电时间增加而充电的电感剩余能量下降。当D减小至某特定值时可造成给倍 压电容充电的剩余电感能量不足以补偿倍压电容的放电量，变换电路无法维持正常稳态运 行，此时，倍压电容的电压将下降到较低的值，造成开关管电压应力同步上升。在假定倍压 电容充放电过程无损本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．　一种交替移相脉冲宽度调制波控制方法，包括两相交错并联倍压Ｂｏｏｓｔ变换器主电路、用于输入与输出电压电流测量的检测电路、用于开关占空比计算和脉冲宽度调制波形发生的控制器、以及按照脉冲宽度调制信号控制变换器开关管工作的驱动电路，其中变换器主电路包含相同结构的两个交错并联的倍压Ｂｏｏｓｔ变换单元及其公共直流输入电源、直流输出电容与负载，每个变换单元的输入电感和输出二极管间串联了用于输出倍压的有极性的倍压电容，其负极通过倍压二极管连接到另一个变换单元的倍压电容正极，其特征是用于开关占空比计算和脉冲宽度调制波形发生的控制器在占空比大于和等于０．５时或是在电感电流连续模式运行时，以固定相移π角度的方式给两个倍压Ｂｏｏｓｔ变换单元的开关管提供脉冲宽度调制波开关指令信号，在占空比小于０．５并且电感电流断续模式运行时，采用随开关占空比而变化的浮动移相角２Ｄπ，以逐个开关周期交换相序的交替移相方式给两个倍压Ｂｏｏｓｔ变换单元的开关管提供脉冲宽度调制波开关指令信号，控制变换器开关管的导通与关断。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈国桥，吴小田，张龙龙，徐德鸿，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86