一种提升级联功率变换器稳定性的电流纹波注入装置

1.本发明涉及级联功率变换器技术领域，尤其涉及一种提升级联功率变换器稳定性的电流纹波注入装置。


背景技术：

2.级联功率变换器因具有高效率、高功率密度和高可靠性等特点，已广泛应用在新能源发电、电动汽车、工业控制、通讯等领域；随着电源技术的不断提升，人们对级联功率变换器的工作性能提出了越来越高的要求；为了确保级联功率变换器稳定、可靠的运行，如何提升级联功率变换器的稳定性一直是人们关注的焦点。
3.在级联功率变换器中，前级变换器的输出作为后级变换器的输入；这样，后级变换器的输入电压由前级变换器决定，而前级变换器的输出电流由后级变换器所需功率决定。同时，后级变换器的输入电流纹波前馈至前级变换器的输出电容，导致前级变换器输出电容电流纹波和输出电压纹波发生显著的变化；对于采用纹波控制的前级变换器，输出电容电流或输出电压被用作反馈控制信号来调节前级变换器的输出电压；这样，后级变换器前馈的电流纹波将影响级联功率变换器的稳定性，缩小前级变换器的稳定工作范围。


技术实现要素：

4.针对现有算法的不足，本发明为了消除级联功率变换器中后级变换器前馈电流纹波对前级变换器稳定性的影响，提升级联功率变换器的稳定性。
5.本发明所采用的技术方案是：一种提升级联功率变换器稳定性的电流纹波注入装置，包括：前级变换器、控制电路、后级变换器和电流纹波发生器，前级变换器的输出端分别与控制电路的输入端和后级变换器的输入端连接，前级变换器与后级变换器连接点与电流纹波发生器的输出端连接，电流纹波发生器产生的电流纹波注入后级变换器的输入端，减小或抵消后级变换器前馈的电流纹波，从而消除后级变换器前馈电流纹波对前级变换器稳定性的影响，提升级联功率变换器的稳定性。
6.进一步的，前级变换器包括：输入1、开关装置2、滤波装置3和输出4，控制电路包括：电压检测装置6、基准电压7、比较器8、时钟9、rs触发器10和驱动电路11，输入1依次与开关装置2、滤波装置3、输出4连接，输出4与电压检测装置6、比较器8、rs触发器10、驱动电路11和开关装置2依次连接，基准电压7与比较器8连接，时钟9与rs触发器10连接。
7.进一步的，电流纹波发生器包括：输入12、开关装置13、电感14、电流采样装置15、基准电流16、比较器17、时钟18、rs触发器19和驱动电路20，输入12依次与开关装置13、电感14、电流采集装置15、比较器17、rs触发器19、驱动电路20和开关装置13连接，基准电流16与比较器17连接，时钟18与rs触发器19连接，电感14与后级变换器连接。
8.进一步的，电流采样装置15采样的电流信号与基准电流16相比较产生rs触发器19的复位信号，时钟18(其频率与负载变换器的工作频率一致)用作rs触发器19的置位信号；rs触发器19的两个输出端通过驱动电路20分别与开关装置13的控制端相连，控制开关装置
13的导通和关断，从而实现电流纹波的输出，电流纹波发生器所产生的电流纹波幅度由基准电流16的大小决定。
9.进一步的，比较器8和比较器17采用芯片lm319。
10.进一步的，rs触发器10和rs触发器19采用74hc02。
11.进一步的，驱动电路11和驱动电路20采用ir2125或ir2110。
12.本发明的有益效果：
13.有效地消除了前级变换器因后级变换器电流纹波前馈而产生的不稳定现象，提升了级联功率变换器的稳定性。
附图说明
14.图1是本发明的提升级联功率变换器稳定性的电流纹波注入装置结构图；
15.图2是本发明的电路结构示意图；
16.图3是本发明的级联功率变换器中前级变换器采用电压纹波控制时的输出电压、电感电流、控制脉冲信号和时钟信号的时域仿真波形图；
17.图4是本发明的对应的前级变换器的输出电压、电感电流、控制脉冲信号和时钟信号的时域仿真波形图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
19.如图1所示，一种提升级联功率变换器稳定性的电流纹波注入装置，如图1所示，图中分为前级变换器、后级变换器和电流纹波发生器，考虑到本发明是通过电流纹波注入来提升前级变换器的稳定性，所以给出了前级变换器和电流纹波发生器的主电路和控制电路的详细结构，省略了后级开关变换器的详细结构。长虚线框中为前级变换器的功率电路，包括：输入1、开关装置2、滤波装置3、输出4；连接关系：输入1连接到开关装置2，经过开关装置2后传输到滤波装置3，经过滤波装置3的作用后进入输出4；短虚线框中为前级变换器的控制电路包括：电压采样装置6、基准电压7、比较器8、时钟9、rs触发器10、驱动电路11，连接关系：连接在输出4上的电压采样装置6和基准电压7分别连接比较器8的两个输入端；比较器8输出端和时钟9连接到rs触发器10的两个输入端上；rs触发器10的输出端连接到驱动电路11；驱动电路11与开关装置2相连；此外，输出4连接到后级变换器5。
20.点虚线框中为电流纹波发生器，主电路包括：输入12、开关装置13、电感14；连接关系：输入12连接到开关装置13，经过开关装置13后传输到电感14，经过电感14作用后进入输出4的输出端或后级变换器5的输入端；其控制电路包括：电感电流采样装置15、基准电流16、比较器17、时钟18、rs触发器19、驱动电路20，连接关系：连接在电感14引出的输出端上的电感电流采样装置15和基准电流16分别连接在比较器17的两个输入端；比较器17与时钟18连接在rs触发器19上；驱动电路20输入端连接在rs触发器19的输出端；驱动电路20输出端和开关装置13相连；
21.后级变换器5的输入电流纹波前馈至前级变换器的输出电容，导致前级变换器输出电容电流纹波和输出电压纹波发生显著的变化，从而产生次谐波振荡；通过增加电流纹
波发生器引入后级变换器5的输入端，从而抑制后级变换器5的反馈电压和电流纹波。
22.图2为引入了本发明的buck变换器级联boost变换器的电路结构示意图。
23.电流纹波发生器包括电感l3、比较器2、rs触发器2、mos管s3和s4，l3的一端与后级变换器的输入端连接，另一端与s4的漏极连接，s4的源极与s3的漏极连接点与后级变换器的输入端连接，rs触发器2的s端与时钟信号连
24.接，rs触发器的和q端分别与s4和s3的栅极连接，rs触发器的r端与比较器2的输出端连接，比较器2的反向输入端与电流采样装置连接，比较器2的同向输入端接入基准电流。
25.输入1是用于提供输入电压的装置，输入电压v
in
的范围为6v-10v，可以采用锂电池或蓄电池等；开关装置2、开关装置13可以采用功率mosfet、igbt等，本实施例中采用功率mosfet，优选型号irf540；滤波装置3可以采用电感和电容组成的低通滤波器或单独电感或单独电容构成的滤波器，本实施例中采用电感和电容组成的低通滤波器作为滤波装置3；电压检测装置6可以采用一根导线直接连接或采用分压电阻；基准电压7和基准电流16可以由辅助电源或可调稳压芯片提供，本实施例中采用可调稳压芯片，优选型号lm117；比较器8、比较器17采用芯片lm319；时钟9、时钟18的信号由函数信号发生器产生；rs触发器10、rs触发器19采用4路2输入或非门搭建，优选型号74hc02；驱动电路11、驱动电路20可以采用ir2125或ir2110等驱动芯片，本实施例优选型号ir2125，图1中的驱动电路11对应图2中的驱动1，图1中的驱动电路20对应图2中的驱动3、驱动4；输入12可以采用锂电池或蓄电池等；电流采集装置15可以通过采样电阻与差分放大电路实现。本实施例中后级变换器5功率电路中开关和滤波装置型号都与前级变换器相同，控制脉冲由函数信号发生器提供；负载电阻r由功率电阻或电子负载提供。
26.仿真结果分析：
27.图3为未引入本发明时级联功率变换器中前级变换器的输出电压、电感电流、控制脉冲信号和时钟信号的时域仿真波形图，仿真电路参数：输入电压v
in
＝10v、前级变换器基准电压v
ref
＝3v、电感l1＝60μh、电容c1＝470μf、电容等效串联电阻esr r1＝100mω，后级变换器电感l2＝100μh、电容c2＝100μf、负载r＝5ω，时钟信号clk1周期t
s1
和clk2周期t
s2
均为10μs、占空比为0.01。横轴均为时间(ms)，纵轴为电压(v)或电流(a)；从图3可以看出，在该组仿真电路参数下，前级变换器存在次谐波振荡，处于不稳定工作状态。
28.图4为引入本发明后级联功率变换器的输出电压、电感电流、控制脉冲信号和时钟信号的时域仿真波形图。在前级变换器输出端与后级变换器输入端之间引入电流纹波发生器，其仿真电路参数：电感l3＝40μh、输入电压e＝8v、基准电流i
ref
＝-0.25a，时钟信号clk3周期t
s3
＝10μs、占空比为0.01，其与仿真电路参数与图3相同。把图3和图4相比较可以看出，在相同电路参数下，注入电流纹波后，前级变换器工作状态从不稳定状态变成了稳定状态，证明了本发明装置的可行性，即本发明可以有效消除了后级变换器前馈电流纹波对前级变换器稳定性的影响，从而提升了级联功率变换器的稳定性。
29.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。