一种DC‑DC电力变换器能量控制电路及其控制方法与流程

本发明属于DC-DC电力变换器的控制领域，具体涉及一种以电路的实际输出能量与电路负载所需的期望能量是否相等为判据，进而对电路进行控制的DC-DC电力变换器能量控制电路及其控制方法。

背景技术：

在DC-DC变换器(在以下文字中所涉及到的DC-DC变换器，均指利用电力电子开关器件实现电能变换的DC-DC变换器)的控制器设计中，以滞环控制器和PID控制器最为常见。滞环控制由于具有系统响应速度快、鲁棒性好，且控制器结构简单、易于实现等优点而被广泛采用。但是在采用电压滞环控制器对DC-DC变换器的输出电压进行控制时，往往会出现输出电流波动过大，甚至电流最大值超过允许值的情况；而采用电流滞环控制器对DC-DC变换器的输出电流进行控制时，又会出现输出电压不可控的情况。此外采用滞环控制时，变换器中电力电子器件的开关频率总在变化，增加了输出滤波电路参数设计的复杂性。而传统的PID控制器，虽然稳态性能好，但是在动态调节过程中存在超调、振荡等现象，特别是当负载变化时，此类问题更加突出，致使输出电能质量变差。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有滞环控制器和PID控制器的不足，提供一种以输出能量为控制目标的能量控制器及其控制方法，在实现对DC-DC变换器有效控制的前提下，可解决现有滞环控制器和PID控制器的缺陷的DC-DC电力变换器能量控制电路。

本发明的目的还在于提供一种DC-DC电力变换器能量控制电路控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种DC-DC电力变换器能量控制电路，由DC-DC变换器主电路，输入能量检测电路、输出能量检测电路、能量分析电路、脉宽调制信号生成电路与逻辑驱动电路组成，输入滤波电容C1、电力电子器件K1、续流二极管D1、滤波电感L1、输出滤波电容C2构成DC-DC变换器主电路；输入能量检测电路的输入端A和输入端B分别和外部电源的正、负极连接，输入能量检测电路的输出端C和输出端D分别与BUCK电路的输入正、负极连接，同时输入能量检测电路W1通过数据总线与能量分析电路连接；输出能量检测电路的输入端E和输入端F分别和BUCK电路的输出正、负极连接，输出能量检测电路的输出端G和输出端H分别和负载的正、负极连接，同时输出能量检测电路通过数据总线与能量分析电路连接；脉宽调制信号生成电路的脉宽调制信号输出端和与逻辑驱动电路的一个数字量信号输入端连接，同时也和能量分析电路的数字量信号输入端连接；与逻辑驱动电路的另一个数字量信号输入端和能量分析电路的数字量输出信号端连接，与逻辑驱动电路的驱动信号输出端与BUCK电路中的电力电子器件的驱动端连接；

脉宽调制信号生成电路输出开关频率恒定、占空比恒定的PWM信号，PWM信号占空比的大小确保在采用该PWM信号来控制BUCK电路时，其开环输出电压值或电流值必须大于负载所需要的输出电压值或电流值；PWM信号开关频率的选取以电力电子器件的工作频率、DC-DC变换器主电路输出滤波器的参数为依据来确定；

输入能量检测电路对外部电源提供给BUCK电路的能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路Y1，输入能量检测电路W1的能量检测频率和数据发送频率相等，能量检测频率和数据发送频率不小于5倍的PWM信号的频率；

输出能量检测电路对BUCK电路的输出电压、输出电流和输出能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路，输出能量检测电路对输出电压、输出电流、输出能量的检测频率和数据发送频率相等，且与输入能量检测电路W1的能量检测频率值相等；

能量分析电路对脉宽调制信号生成电路输出的PWM信号进行捕获，判断出电平的变化时刻，即电平的上升沿和下降沿发生时刻，并定义出开关周期的初始时刻；实时接收输入能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，计算出前一个开关周期内，即从前一个开关周期初始时刻到前一个开关周期终止时刻的时间段内，外部电源提供给BUCK电路的能量W_inq；实时接收输入能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，实时计算出当前开关周期内，从当前开关周期初始时刻到当前时刻的时间段内，外部电源提供给BUCK电路的能量W_ind；实时接收输出能量检测电路通过数据总线发送过来的能量检测结果，计算出前一个开关周期内，即从前一个开关周期初始时刻到前一个开关周期终止时刻的时间段内，BUCK电路提供给负载的能量W_outq；计算出前一个开关周期内，BUCK电路的效率η；

实时接收输出能量检测电路W2通过数据总线发送过来的输出电压、输出电流检测结果，当BUCK电路的控制目标为恒压输出时，能量分析电路Y1预测在当前的一个完整的开关周期内，即从当前开关周期初始时刻到当前开关周期终止时刻的时间段内，BUCK电路需要提供给负载的能量W_outy；当BUCK电路的控制目标为恒流输出时，能量分析电路预测W_outy的大小；

式中，U_ref为BUCK电路输出电压的给定值；

U_outd为能量检测电路W2最新检测到的输出电压值；

I_outd为能量检测电路W2最新检测到的输出电流值；

R_L＝Uo_utd/I_outd为BUCK电路的负载等效电阻值；

T_S为脉宽调制信号生成电路P1输出的PWM信号的开关周期；

式中

I_ref为BUCK电路输出电流的给定值；

计算能量判据ΔW的大小

ΔW＝W_indη-W_outy

如果ΔW＜0，能量分析电路Y1将数字量输出信号EN置1；如果ΔW≥0，则能量分析电路Y1将数字量输出信号EN置0；在每一个PWM信号开关周期的初始时刻，将数字量输出信号EN置1；

逻辑驱动电路将输入的PWM信号和EN信号进行与逻辑运算，并将运算后的输出信号进行电气隔离和功率放大处理，使之能够满足驱动电力电子器件的需求。

一种DC-DC电力变换器能量控制电路控制方法，包括如下步骤：

(1)控制电路和主电路先后上电后，BUCK电路开始工作，脉宽调制信号生成电路输出恒频恒占空比PWM信号；

(2)能量分析电路捕获PWM信号，定义开关周期起始时刻；

(3)若当前时刻为开关周期起始时刻，则将EN置1，否则直接执行步骤(4)；

(4)若EN＝1，则执行(5)，否则执行(9)；

(5)输入能量检测电路检测输入能量，检测结果发送至能量分析电路；

(6)输出能量检测电路检测输出电压、输出电流和输出能量，检测结果发送至能量分析电路；

(7)能量分析电路接收输入能量检测电路和输出能量检测电路发送来的数据，计算ΔW；

(8)若ΔW≥0，则将EN置0；若ΔW＜0，则EN保持不变；

(9)与逻辑驱动电路对EN和脉宽调制信号生成电路输出的PWM信号进行与运算，运算结果经功率放大后用于驱动电力电子器件，从而控制BUCK电路工作；

(10)若停机，则执行(11)，否则执行(3)；

(11)先后断开主电路电源和控制电路电源，BUCK电路停止工作。

本发明的有益效果在于：

本发明所提出的DC-DC变换器能量控制电路及其控制方法与现有的电压或电流滞环控制器相比，具有以下优点：(1)能量控制电路及其控制方法是以DC-DC变换器输出的能量是否满足负载的需求为判据，进而控制主电路中的电力电子器件的开关状态，因此在以输出电压为控制目标的控制过程中，可以有效抑制住输出电流的动态超调现象，而在以输出电流为控制目标的控制过程中能够，可以有效抑制住输出电压的动态超调现象。(2)脉宽调制信号生成电路P1输出的是开关频率恒定、占空比恒定的PWM信号，该PWM信号和能量分析电路Y1的数字量输出信号EN一起经过与逻辑驱动电路A1处理后，生成电力电子器件的驱动信号，数字量输出信号EN为1或者为0只会在当前的开关周期内改变驱动信号的占空比，驱动信号的开关频率(即电力电子器件的开关频率)始终与PWM信号的频率相同，且为固定值，因此可极大地简化DC-DC变换器中滤波器的参数设计。

附图说明

图1以BUCK电路为例实现的DC-DC变换器能量控制电路结构图；

图2以BUCK电路为例实现的DC-DC变换器能量控制方法控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

DC-DC变换器的主电路拓扑形式种类繁多，为了便于理解，本发明以BUCK型的主电路结构为例来进行具体的描述和说明。

本发明所提出的DC-DC变换器能量控制电路，除DC-DC变换器主电路外，主要由输入能量检测电路W1、输出能量检测电路W2、能量分析电路Y1、脉宽调制信号生成电路P1、与逻辑驱动电路A1等部分组成。

以BUCK型的DC-DC变换器为例，采用本发明所提出的能量控制电路时，电路结构如图1所示，电路的连接关系为：输入滤波电容C1、电力电子器件K1、续流二极管D1、滤波电感L1、输出滤波电容C2构成了BUCK型的DC-DC变换器主电路，这些器件间的连接关系与现有的BUCK型电路的连接关系相同；输入能量检测电路W1的输入端A和输入端B分别和外部电源的正、负极连接，输入能量检测电路W1的输出端C和输出端D分别与BUCK电路的输入正、负极连接，同时输入能量检测电路W1通过数据总线与能量分析电路Y1连接；输出能量检测电路W2的输入端E和输入端F分别和BUCK电路的输出正、负极连接，输出能量检测电路W2的输出端G和输出端H分别和负载的正、负极连接，同时输出能量检测电路W2通过数据总线与能量分析电路Y1连接；脉宽调制信号生成电路P1的PWM(脉宽调制)信号输出端和与逻辑驱动电路A1的一个数字量信号输入端连接，同时也和能量分析电路Y1的数字量信号输入端连接；与逻辑驱动电路A1的另一个数字量信号输入端和能量分析电路Y1的数字量输出信号(EN)端连接，与逻辑驱动电路A1的驱动信号输出端与BUCK电路中的电力电子器件K1的驱动端连接。

脉宽调制信号生成电路P1的功能是输出开关频率恒定、占空比恒定的PWM信号，PWM信号占空比的大小应能确保在采用该PWM信号来控制BUCK电路时，其开环输出电压值(或电流值)必须大于负载所需要的输出电压值(或电流值)。PWM信号开关频率的选取应以电力电子器件K1的工作频率、DC-DC变换器主电路输出滤波器(例如BUCK电路中的滤波电感L1和输出滤波电容C2)的参数设计为依据来确定。

输入能量检测电路W1的功能是对外部电源提供给BUCK电路的能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路Y1，为了提高能量控制电路的控制效果，要求输入能量检测电路W1的能量检测频率和数据发送频率相等，且频率越高越好，考虑到实际应用的限制，能量检测频率和数据发送频率应不小于5倍的PWM信号(即脉宽调制信号生成电路P1的输出)的频率。在忽略检测电路自身所产生的能量损耗的前提下，输入能量检测电路W1并不改变外部电源提供给BUCK电路的电压和电流的幅值、波形等参数。

输出能量检测电路W2的功能是对BUCK电路的输出电压、输出电流和输出能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路Y1，要求输出能量检测电路W2对输出电压、输出电流、输出能量的检测频率和数据发送频率相等，且与输入能量检测电路W1的能量检测频率值相等。在忽略检测电路自身所产生的能量损耗的前提下，输出能量检测电路W2并不改变BUCK电路输出电压和输出电流的幅值、波形等参数。

能量分析电路Y1的功能主要包括以下几点：

功能一：对脉宽调制信号生成电路P1输出的PWM信号进行捕获，判断出电平的变化时刻，即电平的上升沿和下降沿发生时刻，并定义出开关周期的初始时刻，例如可以定义每一个电平的上升沿(或下降沿)为相应一个开关周期的初始时刻，则相邻的两个上升沿(或下降沿)间的时间间隔即为一个开关周期；

功能二：实时接收输入能量检测电路W1通过数据总线发送过来的能量检测结果，计算出前一个开关周期内，即从前一个开关周期初始时刻到前一个开关周期终止时刻的时间段内，外部电源提供给BUCK电路的能量W_inq；

功能三：实时接收输入能量检测电路W1通过数据总线发送过来的能量检测结果，实时计算出当前开关周期内，从当前开关周期初始时刻到当前时刻的时间段内，外部电源提供给BUCK电路的能量W_ind；

功能四：实时接收输出能量检测电路W2通过数据总线发送过来的能量检测结果，计算出前一个开关周期内，即从前一个开关周期初始时刻到前一个开关周期终止时刻的时间段内，BUCK电路提供给负载的能量W_outq；

功能五：利用公式(1)计算出前一个开关周期内，BUCK电路的效率η；

功能六：实时接收输出能量检测电路W2通过数据总线发送过来的输出电压、输出电流检测结果，当BUCK电路的控制目标为恒压输出时，能量分析电路Y1利用公式(2)预测在当前的一个完整的开关周期内，即从当前开关周期初始时刻到当前开关周期终止时刻的时间段内，BUCK电路需要提供给负载的能量W_outy。当BUCK电路的控制目标为恒流输出时，能量分析电路Y1利用公式(3)预测W_outy的大小；

式中

U_ref——BUCK电路输出电压的给定值(期望的恒定电压值)；

U_outd——能量检测电路W2最新检测到的输出电压值；

I_outd——能量检测电路W2最新检测到的输出电流值；

R_L＝U_outd/I_outd——BUCK电路的负载等效电阻值；

T_S——脉宽调制信号生成电路P1输出的PWM信号的开关周期。

式中

I_ref——BUCK电路输出电流的给定值(期望的恒定电流值)。

功能七：根据公式(4)计算能量判据ΔW的大小

ΔW＝W_indη-W_outy (4)

如果ΔW＜0，能量分析电路Y1将数字量输出信号EN置1(在本发明专利中，假设PWM信号为高电平有效，针对PWM信号为低电平有效的情况，根据现有知识，可以在具体实现的电路中加入逻辑求反电路即可)。如果ΔW≥0，则能量分析电路Y1将数字量输出信号EN置0；

功能八：在每一个PWM信号开关周期的初始时刻，将数字量输出信号EN置1。

与逻辑驱动电路A1的功能是将输入的PWM信号和EN信号进行与逻辑运算，并将运算后的输出信号进行电气隔离和功率放大处理，使之能够满足驱动电力电子器件K1的需求。

采用本发明所提出的能量控制电路及其控制方法的BUCK电路，其工作原理如下所述：

在BUCK电路和控制电路接通电源后，脉宽调制信号生成电路P1输出开关频率恒定、占空比恒定的PWM信号；能量分析电路Y1对脉宽调制信号生成电路P1输出的PWM信号进行捕获，并定义出开关周期的初始时刻，在每一个PWM信号开关周期的初始时刻，将数字量输出信号EN置1；当数字量输出信号EN为1时，PWM信号经过与逻辑驱动电路A1后，可以实现对电力电子器件K1的驱动，进而使BUCK电路处于工作状态；输入能量检测电路W1对外部电源提供给BUCK电路的能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路Y1；输出能量检测电路W2对BUCK电路的输出电压、输出电流和输出能量进行检测，并将检测结果通过数据总线实时发送给能量分析电路Y1；能量分析电路Y1根据实时接收到的输入能量检测电路W1和输出能量检测电路W2通过数据总线发送过来的检测数据，综合利用公式(1)、(2)、(4)(针对DC-DC变换器的控制目标为恒压输出时的情况)，或者综合利用公式(1)、(3)、(4)(针对DC-DC变换器的控制目标为恒流输出时的情况)计算能量判据ΔW的大小，如果ΔW＜0，说明在当前开关周期内外部电源提供的能量小于负载所需求的能量，能量分析电路Y1将维持数字量输出信号EN为1，则PWM信号仍然可以通过与逻辑驱动电路A1实现对电力电子器件K1的驱动，外部电源继续向BUCK电路输入能量，能量分析电路Y1继续利用最新接收到的检测数据计算能量判据ΔW的大小，如果ΔW≥0，说明在当前开关周期内外部电源所提供的能量可以满足负载对能量的需求，能量分析电路Y1将数字量输出信号EN置为0，即通过与逻辑驱动电路A1将PWM信号封锁，使得电力电子器件K1处于截止状态，之后能量分析电路Y1不再计算能量判据ΔW的大小，会一直维持数字量输出信号EN为0的状态，直到下一个PWM信号开关周期的初始时刻的到来。以上过程反复进行，既可以实现对BUCK电路的控制，使其稳态运行时的输出电压值或电流值等于给定值。

本发明所提出的能量控制电路及其控制方法，不仅适用于以BUCK电路及其拓扑结构为主电路的DC-DC变换器，同样也适用于常见的其他形式的DC-DC变换器。针对某些结构特殊的DC-DC变换器，需要根据电路的具体工作原理，对公式(1)至公式(4)中所涉及到的W_ind、W_outy等能量变量的计算方法进行相应的修改，但是控制电路和控制原理无需改动。

控制流程

采用本发明所提出的能量控制方法应用于BUCK电路时的控制流程图如图2所示，控制流程如下所述：

(1)控制电路和主电路先后上电后，BUCK电路开始工作，脉宽调制信号生成电路P1输出恒频恒占空比PWM信号。

(2)能量分析电路Y1捕获PWM信号，定义开关周期起始时刻(可以根据实际工况的需求来具体定义)。

(3)若当前时刻为开关周期起始时刻，则将EN置1，否则直接执行(4)。

(4)若EN＝1，则执行(5)，否则执行(9)。

(5)输入能量检测电路W1检测输入能量，检测结果发送至能量分析电路Y1。

(6)输出能量检测电路W2检测输出电压、输出电流和输出能量，检测结果发送至能量分析电路Y1。

(7)能量分析电路Y1接收输入能量检测电路W1和输出能量检测电路W2发送来的数据，计算ΔW。

(8)若ΔW≥0，则将EN置0；若ΔW＜0，则EN保持不变。

(9)与逻辑驱动电路A1对EN和脉宽调制信号生成电路P1输出的PWM信号进行与运算，运算结果经功率放大后用于驱动电力电子器件K1，从而控制BUCK电路工作。

(10)若停机，则执行(11)，否则执行(3)。

(11)先后断开主电路电源和控制电路电源，BUCK电路停止工作。

实施方法一

输入滤波电容C1、电力电子器件K1、续流二极管D1、滤波电感L1、输出滤波电容C2构成了BUCK型的DC-DC变换器主电路，这些器件的选型和参数计算与现有的BUCK型电路的器件选型和参数计算完全一致。如果是其他形式的DC-DC变换器，则其主电路器件选型和参数计算也与现有的该种DC-DC变换器主电路器件选型和参数计算方法完全一致。

输入能量检测电路W1可采用现有的具有能对能量进行实时检测和实时数据通讯功能的电路来实现，例如可以利用单片机通过霍尔型的电压和电流传感器对DC-DC变换器的输入电压和电流进行采集，并且通过对采集到的电压值和电流值的乘积做对时间的积分运算，即可计算出一定时间内DC-DC变换器的输入能量，并将计算结果通过并行总线等通讯方式发送给其他电路。

输出能量检测电路W2可采用现有的具有能对电压、电流、能量进行实时检测和实时数据通讯功能的电路来实现，例如可以利用单片机通过霍尔型的电压和电流传感器对DC-DC变换器的输出电压和电流进行采集，并且通过对采集到的电压值和电流值的乘积做对时间的积分运算，即可计算出一定时间内DC-DC变换器的输出能量，并将采集到的电压值、电流值和计算出的输出能量值通过并行总线等通讯方式发送给其他电路。

能量分析电路Y1可采用现有的具有数据通讯、数据计算分析、数字量输入和输出等功能的电路来实现，例如可采用数字信号处理器(DSP)或者单片机辅以相应的外围电路的形式。

脉宽调制信号生成电路P1可采用现有的各种脉宽调制信号生成电路，也可以利用具有PWM输出功能的数字信号处理器(DSP)或者单片机来实现。

与逻辑驱动电路A1可采用将现有的各种能够实现与逻辑运算的电路(或者芯片)和电力电子器件的驱动电路结合在一起的方式来实现。

输入能量检测电路W1与能量分析电路Y1之间的数据总线可采用现有的各种数据总线，例如并行数据总线、串行数据总线或者CAN总线等。

输出能量检测电路W2与能量分析电路Y1之间的数据总线可采用现有的各种数据总线，例如并行数据总线、串行数据总线或者CAN总线等。