脉冲序列控制三角波电流模式软开关Buck变换器的控制系统

本发明属于电力电子变换器，涉及一种脉冲序列(pulse train,pt)控制三角波电流模式(triangle current mode,tcm)软开关buck变换器的控制系统。

背景技术：

1、在当前电能变换装置快速发展的时代，越来越高的效率、功率密度等特性成了开关变换器发展的主要方向。随着第三代宽禁带半导体器件的发展，开关频率逐渐发展到了mhz级别，提高了变换器的功率密度。在一系列非隔离dc-dc变换器场合中，buck变换器因其结构简单，被广泛应用于此类开关电源中。然而，由于传统buck变换器无法实现软开关，限制了开关频率的提升，进而限制了变换器功率密度的提升。

2、在当前的技术发展中，产生了一些实现buck变换器的软开关实现方法。第一种是通过采用同步整流buck变换器，使变换器工作于强制连续电流模式(ccm)，实现电感l1电流反向流动，进而实现第一开关管s1的软开关。但这种方法通常工作在定开关频率模式，无法控制负向电流的大小。而较大的负向电流导致了较高的环流损耗，降低了变换器效率。第二种方法是添加额外的辅助开关网络，当电感l1电流下降到较小的负值时，通过辅助开关网络为电感l1电流续流，在实现第一开关管s1软开关的同时减小了环流损耗。但这种方法需要加入额外的器件，增加了电路和控制器的复杂度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，该系统能够控制负向电流的大小，同时结构较为简单。

2、为达到上述目的，本发明所述的脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，所述buck变换器包括直流输入电源、第一开关管、第二开关管、电感、输出电容及负载，所述直流输入电源的正极经第一开关管后与第二开关管的一端及电感的一端相连接，电感的另一端与输出电容的一端及负载的一端相连接，输出电容的另一端、负载的另一端及第二开关管的另一端均与直流输入电源的负极相连接，其特征在于，包括pt控制器、用于检测采集负载两端电压信号的电压表以及用于采集电感电流的电流表，其中，pt控制器的输入端与所述电流表的输出端及电压表的输出端相连接，pt控制器的输出端与第一开关管的控制端及第二开关管的控制端相连接。

3、所述pt控制器包括衰减模块、第一比较器、d触发器、第三比较器、第二比较器、d触发器、第一与门、第二与门、或门、第三与门及非门；

4、所述电压表的输出端经衰减模块与第一比较器的输入端相连接，低压参考信号输入端与第一比较器的输入端相连接，第一比较器的输出端与d触发器的d引脚相连接，电流表的输出端与第二比较器的输入端及第三比较器的输入端相连接，第二比较器的输出端与触发器的cp引脚相连接，d触发器的q引脚与第一与门的输入端相连接，d触发器的-q引脚与第二与门的输入端相连接，第一与门的输出端及第二与门的输出端与或门的输入端相连接，第三比较器的输出端及或门的输出端与第三与门的输入端相连接，第三与门的输出端与非门的输入端及第一开关管的控制端相连接，非门的输出端与第二开关管的控制端相连接。

5、将电压表采集负载两端的电压信号作为反馈信号，经k倍衰减后的信号vs与参考信号vref进行比较，当vs低于vref时，则第一比较器的输出结果为高电平。

6、在正常工作情况下，电感的电流il1小于预设最高电感电流il1_peak时，第三比较器的输出信号为高脉冲，当或门(c)输出高电平时，第一开关管导通，第二开关管关断，电感两端的电压为vin－vo，电感的电流上升。

7、电感的电流上升的上升斜率为：

8、

9、当高脉冲时间结束时，电感的电流达到当前开关周期内的最高值，随着第一开关管关断，第二开关管导通，电感的电流开始下降。

10、电感的电流开始下降的下降斜率为：

11、

12、当电感的电流下降到预设负值il1_th时，则第二比较器的输出结果为高电平，产生一个上升沿，以触发d触发器，此时通过第一比较器的输出结果选择高脉冲或低脉冲，使输出电压在vref附近变化，达到输出稳态电压为vref的结果。

13、预设负值il1_th能够实现第一开关管的软开关，其满足：

14、|il1_th|tdead>(coss,s1+coss,s2)vin      (3)

15、其中，tdead为第一开关管及第二开关管的死区时间，coss,s1为第一开关管的输出寄生电容，coss,s2为第二开关管的输出寄生电容。

16、当电感的电流高于预设最高电感电流il1_peak时，则第三比较器的输出结果为低电平，第三与门的输出vg为低电平，第一开关管关断。

17、本发明具有以下有益效果：

18、本发明所述的脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统在具体操作时，在不增加任何额外电路的情况下，实现快速输入/输出调压能力，在保持所有开关管软开关的情况下实现最小负向环流电流，降低电路的导通损耗，具有快速的动态响应，具有较小的电磁干扰。

技术特征：

1.一种脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，所述buck变换器包括直流输入电源(vin)、第一开关管(s1)、第二开关管(s2)、电感(l1)、输出电容(co)及负载(rl)，所述直流输入电源(vin)的正极经第一开关管(s1)后与第二开关管(s2)的一端及电感(l1)的一端相连接，电感(l1)的另一端与输出电容(co)的一端及负载(rl)的一端相连接，输出电容(co)的另一端、负载(rl)的另一端及第二开关管(s2)的另一端均与直流输入电源(vin)的负极相连接，其特征在于，包括pt控制器、用于检测采集负载(rl)两端电压信号的电压表以及用于采集电感(l1)电流的电流表，其中，pt控制器的输入端与所述电流表的输出端及电压表的输出端相连接，pt控制器的输出端与第一开关管(s1)的控制端及第二开关管(s2)的控制端相连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，其特征在于，所述pt控制器包括衰减模块(k)、第一比较器(t1)、第三比较器(t3)、第二比较器(t2)、d触发器(e)、第一与门(b1)、第二与门(b2)、或门(c)、第三与门(b3)及非门(a)；

3.根据权利要求2所述的脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，其特征在于，将电压表采集负载(rl)两端的电压信号作为反馈信号，经k倍衰减后的信号vs与输出参考信号vref进行比较，当vs低于vref时，则第一比较器(t1)的输出结果为高电平，d触发器(e)的q端高脉冲被选中，具有长时间导通信号的高脉冲经过或门(c)后与第三比较器(t3)的输出信号进入第三与门(b3)，形成开关管控制信号vg控制第一开关管，vg再经过第一非门形成第二开关管的控制信号，第一开关管(s1)导通，第二开关管(s2)关断。

4.根据权利要求2所述的脉冲序列控制tcm软开关buck变换器的过流保护控制系统，其特征在于，在正常工作情况下，电感(l1)的电流il1小于预设最高电感电流il1_peak时，第三比较器(t3)的输出信号为高脉冲。当第一开关管(s1)导通时，第二开关管(s2)关断，电感(l1)两端的电压为vin－vo，电感(l1)的电流上升。

5.根据权利要求4所述的脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，其特征在于，电感(l1)的电流上升的上升斜率为：

6.根据权利要求2所述的脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，其特征在于，当高脉冲时间结束时，电感(l1)的电流达到当前开关周期内的最高值，随着第一开关管(s1)关断，第二开关管(s2)导通，电感(l1)的电流开始下降。

7.根据权利要求6所述的脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，其特征在于，电感(l1)的电流开始下降的下降斜率为：

8.根据权利要求2所述的脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，其特征在于，当电感(l1)的电流下降到预设负值il1_th时，则第二比较器(t2)的输出结果为高电平，产生一个上升沿，以触发d触发器(e)，此时通过第一比较器(t1)的输出结果选择高脉冲或低脉冲，使输出电压在vref附近变化，达到输出稳态电压为vref的结果。

9.根据权利要求8所述的脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，其特征在于，预设负值il1_th能够实现第一开关管(s1)的软开关，其满足：

10.根据权利要求2所述的脉冲序列控制三角波电流模式软开关buck变换器的控制系统，其特征在于，当电感(l1)的电流高于预设最高电感电流il1_peak时，则第三比较器(t3)的输出结果为低电平，第三与门(b3)的输出vg为低电平，第一开关管(s1)关断。

技术总结
本发明公开了一种脉冲序列控制三角波电流模式软开关Buck变换器的控制系统，所述Buck变换器包括直流输入电源、第一开关管、第二开关管、电感、输出电容及负载，所述直流输入电源的正极经第一开关管后与第二开关管的一端及电感的一端相连接，电感的另一端与输出电容的一端及负载的一端相连接，输出电容的另一端、负载的另一端及第二开关管的另一端均与直流输入电源的负极相连接，包括PT控制器、用于检测采集负载两端电压信号的电压表以及用于采集电感电流的电流表，其中，PT控制器的输入端与所述电流表的输出端及电压表的输出端相连接，PT控制器的输出端与第一开关管的控制端及第二开关管的控制端相连接，该系统能够控制负向电流的大小，同时结构较为简单。

技术研发人员：周翔,王来利
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12