一种基于升降压同步调节器的控制电路的制作方法

1.本发明属于空间电源系统能源管理技术领域，尤其涉及一种基于升降压同步调节器的控制电路。


背景技术：

2.作为空间电源控制器的核心组成部分，空间电源系统主要任务是航天器在轨期间为其提供高品质、高效率、稳定可靠的连续电源，满足航天器工作运行的功率需求。
3.空间电源分系统是航天器平台的重要组成部分，其发展水平对提高航天器性能、工作寿命起着关键作用。随着航天器功能与性能的优化及负载容量的扩大化，对航天器电源系统的配置提出了更高的要求。大型载荷的航天器平台需解决面向空间防护的高效能源变换技术及功率调节技术，不仅需要实现大功率输出，而且为了提高系统稳定性和能源效率，对功率调节器的拓扑结构及其控制策略提出了更高的要求。
4.由于航天器在空间飞行过程中受运行轨道的影响，太阳电池阵工作电压电流随环境温度和光照强度改变而发生较大的变化，故同时具有降压与升压调节方式的升降压调节器便于实现宽输入电压范围的大功率变换。
5.升降压调节器转换效率有了显著的提高，但在大功率变换时该拓扑本身存在降压模式下的升压隔离二极管和buck续流二极管会产生较大的损耗，因此降低了调节器的效率。
6.为了进一步提升调节器的效率，对原有的控制策略进行了改进，即在dc/dc电路工作状态中在buck模式对升压隔离二极管和续流二极管进行同步驱动控制，可以有效地降低损耗，提升调节器的效率。如何基于buck/boost电路，采用硬件方式实现对升压隔离二极管和续流二极管进行同步驱动稳定、可靠控制是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题为：采用硬件方式实现对buck/boost调节器的升压隔离二极管和续流二极管进行同步驱动稳定、可靠控制的技术难题。
8.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于升降压同步调节器的控制电路，其中，所述基于升降压同步调节器的控制电路设置在升降压同步调节器与负载之间；所述基于升降压同步调节器的控制电路包括：输出电压采样电路、电感电流采样电路、第一pi调节器电路、第二pi调节器电路、三角波发生器、boost载波产生电路、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、rc滤波的电阻、第一电容、第一分压电阻r3、第二分压电阻r4、第一分压参考电路、第二分压参考电路、反相器、buck驱动电路、boost驱动电路、buck续流管同步驱动电路以及boost隔离二极管同步驱动电路；
9.所述buck驱动电路、boost驱动电路、buck续流管同步驱动电路以及boost隔离二极管同步驱动电路的输出端分别与所述升降压同步调节器连接；
10.所述电感电流采样电路和所述输出电压采样电路的输入端，分别与所述升降压同
步调节器的输出端连接；所述电感电流采样电路的输出端连接所述第二pi调节器电路的输入端，所述输出电压采样电路的输出端连接所述第一pi调节器电路的输入端，所述第一分压参考电路、第一pi调节器电路以及所述第二pi调节器电路顺次连接；
11.所述三角波发生器与boost载波产生电路连接；
12.所述第一比较器、第二比较器、第三比较器并联，所述第二pi调节器电路的输出端连接至所述第一比较器、第二比较器之间的通路上；
13.所述第一比较器的输出端与所述boost驱动电路的输入端连接，所述第二比较器的输出端分别与所述buck驱动电路和buck续流管同步驱动电路的输入端连接，所述第二比较器的输出端与所述buck续流管同步驱动电路的输入端之间连接所述反相器；
14.所述第三比较器的正级输入端连接所述第二分压参考电路，所述第三比较器的输出端、所述rc滤波的电阻以及所述第四比较器的正级输入端依次连接；所述第一电容与所述rc滤波的电阻并联；
15.所述第一分压电阻r3、第二分压电阻r4并联至所述第四比较器的负级输入端；所述第四比较器的输出端与所述boost隔离二极管同步驱动电路的输入端连接。
16.可选地，所述升降压同步调节器的输入端连接太阳电池阵的输出端，所述升降压同步调节器的输出端连接蓄电池组和负载。
17.可选地，所述升降压同步调节器包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管，通过调节各开关管的状态，控制所述升降压同步调节器进行工作模式切换。
18.可选地，所述第一开关管处于开通状态，所述第二开关管处于调制状态，所述第三开关管和所述第四开关管处于关闭状态时，所述升降压同步调节器处于升压模式；
19.所述第一开关管处于调制状态，所述第二开关管处于关闭状态，所述第三开关管处于开通状态，所述第四开关管处于调制状态时，所述升降压同步调节器处于降压模式；
20.所述第一开关管处于开通状态，所述第二开关管处于关闭状态，所述第三开关管处于开通状态，所述第四开关管处于关断状态时，所述升降压同步调节器处于直连模式。
21.可选地，当输入电压小于输出电压且电压之差大于0.5v时，所述升降压同步调节器工作在升压模式。
22.可选地，当输入电压大于输出电压且电压之差大于0.5v时，所述升降压同步调节器工作在降压模式；
23.可选地，当输入电压大于或小于输出电压且电压之差小于等于0.5v时，所述升降压同步调节器工作在直连模式。
24.本发明具有以下优点：
25.本发明实施例公开的基于升降压同步调节器的控制电路，利用硬件电路的方式，实现升降压同步调节器在升压模式、降压模式与直连模式之间的同步驱动稳定、可靠控制同时，可确保最大化提升调节器的转换效率。
附图说明
26.图1为本发明实施例的空间电源一级能源变换系统组成框图；
27.图2为本发明实施例的升降压同步调节器拓扑结构图；
28.图3为本发明实施例的基于升降压同步调节器的控制电路；
29.图4为本发明实施例的单调制波-双载波pwm控制波形示意图。
具体实施方式
30.下面根据具体的实施例，结合附图针对本发明进行详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
31.图1为空间电源一级能源变换系统组成框图，如图1所示，空间电源一级能源变换系统主要由太阳电池阵、升降压同步调节器、控制电路、蓄电池组、负载等组成。升降压同步调节器的输入端连接太阳电池阵的输出端，所述升降压同步调节器的输出端连接蓄电池组和负载。
32.在光照期，当负载功率较小时，太阳电池阵为负载供电的同时，为蓄电池组充电；当负载功率较大或太阳电池阵输出功率不足时，太阳电池阵和蓄电池组联合为负载供电。在阴影期，蓄电池组单独为负载供电。
33.图2为升降压同步调节器拓扑结构图，如图2所示，所述升降压同步调节器包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管，通过调节各开关管的状态，控制升降压同步调节器进行工作模式切换。对于升降压同步调节器
34.升降压同步调节器有三种工作模式：
35.第一开关管q1处于开通状态，第二开关管q2处于调制状态，所述第三开关管q3和所述第四开关管q4处于关闭状态时，所述升降压同步调节器处于升压模式；
36.第一开关管q1处于调制状态，第二开关管q2处于关闭状态，第三开关管q3处于开通状态，第四开关管q4处于调制状态时，升降压同步调节器处于降压模式；
37.第一开关管q1处于开通状态，第二开关管q2处于关闭状态，第三开关管q3处于开通状态，第四开关管q4处于关断状态时，升降压同步调节器处于直连模式。
38.图3为基于升降压同步调节器的控制电路，如图3所示，基于升降压同步调节器的控制电路包括：输出电压采样电路、电感电流采样电路、第一pi调节器电路即pi调节器电路1、第二pi调节器电路即pi调节器电路2、三角波发生器、boost载波产生电路、第一比较器即com1、第二比较器即com2、第三比较器即com3、第四比较器即com3、rc滤波的电阻r1、第一电容c1、第一分压电阻r3、第二分压电阻r4、第一分压参考电路即分压参考电路1、第二分压参考电路即分压参考电路2、反相器ai、buck驱动电路、boost驱动电路、buck续流管同步驱动电路以及boost隔离二极管同步驱动电路。
39.buck驱动电路、boost驱动电路、buck续流管同步驱动电路以及boost隔离二极管同步驱动电路的输出端分别与升降压同步调节器连接；
40.所述电感电流采样电路和所述输出电压采样电路的输入端，分别与升降压同步调节器的输出端连接；电感电流采样电路的输出端连接第二pi调节器电路的输入端，所述输出电压采样电路的输出端连接第一pi调节器电路的输入端，第一分压参考电路、第一pi调节器电路以及第二pi调节器电路顺次连接；三角波发生器与boost载波产生电路连接。
41.第一比较器、第二比较器、第三比较器并联，第二pi调节器电路的输出端连接至第一比较器、第二比较器之间的通路上；第一比较器的输出端与boost驱动电路的输入端连接，第二比较器的输出端分别与buck驱动电路和buck续流管同步驱动电路的输入端连接，第二比较器的输出端与buck续流管同步驱动电路的输入端之间连接反相器；
42.所述第三比较器的正级输入端连接所述第二分压参考电路，所述第三比较器的输出端、rc滤波的电阻以及第四比较器的正级输入端依次连接；第一电容与rc滤波的电阻并联；第一分压电阻r3、第二分压电阻r4并联至第四比较器的负级输入端；第四比较器的输出端与boost隔离二极管同步驱动电路的输入端连接。
43.图3中为了防止单点失效或电路工作不稳定，确保调节器稳定运行，boost隔离二极管同步控制信号采用二阶比较方式，第一阶比较器输出经过rc滤波后与控制电电源的幅值的一半作比较(r3与r4值相等)，防止boost工作模式下隔离二极管的同步管受到干扰而误导通，增加boost隔离二极管同步控制可靠性与稳定性；同时在boost隔离二极管的同步管的gs管脚之间加入一个1uf的陶瓷电容c1，防止在boost工作模式下，隔离二极管反向恢复的电压尖峰影响同步管的驱动电压，造成同步管误导通，影响系统工作的稳定性。
44.如图4所示，buck/boost双载波在buck和boost载波之间加入了一个死区以实现buck/boost工作模式之间平滑切换，此时升降压同步调节器工作状态为直连模式。该直连模式电压区间根据电路参数设置为母线电压的上下0.5v区间，属于一种鲁棒性良好的bang-bang控制方式。
45.当输入电压小于输出电压且电压之差大于0.5v时，升降压同步调节器工作在升压模式，具体步骤如下：
46.步骤1：参考电压vo_ref与母线电压采样v’o差值进入pi调节器1运算输出电流环参考与电感电流采样i’l
差值进入pi调节器2运算输出调制波vcomp与双载波相截。
47.步骤2：调制波vcomp与trig2载波相截，此时比较器com1输出相应占空比的pwm波形，boost驱动电路输出一定占空比的pwm波形，boost开关管q2处于调制状态；比较器com2输出高电平，buck驱动电路输出pwm信号为高电平，buck开关管q1处于开通状态。
48.步骤3：反相器输出低电平，buck续流管同步驱动电路输出低电平的驱动信号，buck续流同步管q4处于关断状态。
49.步骤4：调制波vcomp与参考电压vb_ref比较，比较器com3和比较器com4输出低电平，boost隔离二极管同步驱动电路输出低电平的驱动信号，同步管q3处于关断状态。
50.当输入电压大于输出电压且电压之差大于0.5v时，升降压同步调节器工作在降压模式，具体步骤如下：
51.步骤1：参考电压vo_ref与母线电压采样v’o差值进入pi调节器1运算输出电流环参考与电感电流采样i’l
差值进入pi调节器2运算输出调制波vcomp与双载波相截。
52.步骤2：调制波vcomp与trig1载波相截，此时比较器com2输出相应占空比的pwm波形，buck驱动电路输出一定占空比的pwm波形，buck开关管q1处于调制状态；比较器com1输出低电平，boost驱动电路输出pwm信号为低电平，boost开关管q2处于开通状态。
53.步骤3：反相器输出与比较器com2反相的pwm波形，buck续流管同步驱动电路输出对应的pwm驱动信号，buck续流同步管q4处于调制状态。
54.步骤4：调制波vcomp与参考电压vb_ref比较，比较器com3和比较器com4输出高电平，boost隔离二极管同步驱动电路输出高电平的驱动信号，同步管q3处于开通状态。
55.当输入电压大于或小于输出电压且电压之差小于等于0.5v时，升降压同步调节器工作在直连模式，具体步骤如下：
56.步骤1：参考电压vo_ref与母线电压采样v’o差值进入pi调节器1运算输出电流环
参考与电感电流采样i’l
差值进入pi调节器2运算输出调制波vcomp与双载波相截。
57.步骤2：调制波vcomp幅值处于boost载波和buck载波之间，此时比较器com1输出低电平信号，boost驱动电路输出pwm信号为低电平，boost开关管q2处于关闭状态；比较器com2输出高电平，buck驱动电路输出pwm信号为高电平，buck开关管q1处于开通状态。
58.步骤3：反相器输出与比较器com2反相的低电平信号，buck续流管同步驱动电路输出pwm信号为低电平，buck续流同步管q4处于关闭状态。
59.步骤4：调制波vcomp与参考电压vb_ref比较，比较器com3和比较器com4输出高电平，boost隔离二极管同步驱动电路输出高电平的驱动信号，同步管q3处于开通状态。
60.本发明实施例公开的基于升降压同步调节器的控制电路，利用硬件电路的方式，实现升降压同步调节器在升压模式、降压模式与直连模式之间的同步驱动稳定、可靠控制同时，可确保最大化提升调节器的转换效率。
61.需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。
62.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。