一种原边反馈反激变换器的恒流控制方法与流程

本发明涉及隔离型变换器，尤其是一种原边反馈反激变换器的恒流控制方法。

背景技术：

1、随着技术发展，开关电源广泛应用于中小功率场合，隔离型开关电源能实现输入与输出的电气隔离，具有安全隔离及可靠性高的特点。反激变换器具有结构简单、可靠性高及成本低等优点，在中小功率消费电子中的应用身份广泛。其中，基于原边反馈技术的反激变换器相比于传统基于副边反馈技术的反激变换器其电路结构更为简单，并且无需使用光耦等非线性器件，可靠性、寿命及集成度等均可以进一步得到提升。

2、当前原边反馈反激变换器实现输出恒流的方法是控制输出二极管的平均电流等于目标电流，而在系统稳定时，输出负载电流等于输出二极管电流的平均值，即实现了输出负载电流等于目标电流。基于输出二极管的平均电流，可以通过pid调制方法控制开关管的导通时间或者原边绕组的峰值电流，使得输出电流稳定在所设计的目标电流值，然而采用pid调制方法后，系统闭环带宽会远低于开关频率，输出电流不可避免引入低频电流纹波；其次，在连续电流模式中，采用峰值电流控制时，低输入电压的开关占空比高于0.5则会引入次谐波振荡问题，可能使得原边电流采样发生异常，或导致输出电流偏离等问题。其中，低频电流纹波会降低输出电流纹波性能，而次谐波引入的不稳定及电流偏差问题必须避免。

3、常用的消除次谐波振荡方法有两种思路，其一是采用斜坡补偿方法，在峰值电流上叠加具有一定负斜率的斜坡电压，这种方法需要合理的设计斜坡电压的斜率，过大与过小的斜率会无法消除次谐波或者使得输出无法稳定在目标值等，且斜坡电压的产生使得电路复杂度和成本增加；另一种思路是通过采样特定时刻的电流，通过计算调整控制变量以消除次谐波，这种思路通常需要高精度、高速度的模数转换器，带来了额外的成本与功耗。

技术实现思路

1、本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种原边反馈反激变换器的恒流控制方法，该方法无需pid调制，能够直接计算得到反激变换器的控制参数，可以避免pid控制方法引入的输出低频电流纹波且能避免次谐波振荡效应。

2、本发明的技术方案如下：

3、本技术提供了一种原边反馈反激变换器的恒流控制方法，包括如下步骤，在第n个开关管控制周期下：

4、当原边反馈反激变换器工作在连续电流模式下时，确定第n个开关管控制周期的变压器去磁时长tr(n)、周期时长ts(n)、原边绕组电流谷值ipv(n)，原边绕组电流谷值ipv(n)是在开关管导通期间流经原边主绕组的最小电流；

5、根据变压器去磁时长tr(n)、周期时长ts(n)、原边绕组电流谷值ipv(n)和设定的参考原边电流峰值ippref以及所需实现的目标电流值ioref得到第n+1个开关管控制周期的开关管关断时长toff(n+1)；

6、根据参考原边电流峰值ippref控制第n+1个开关管控制周期的开关管导通时长ton(n+1)，并控制第n+1个开关管控制周期的开关管关断时长为toff(n+1)。

7、其进一步技术方案为，该方法还包括：

8、确定原边反馈反激变换器的工作模式；

9、当原边反馈反激变换器工作在断续电流模式下时，确定第n个开关管控制周期的变压器去磁时长tr(n)、开关管导通时长ton(n)；

10、根据变压器去磁时长tr(n)、开关管导通时长ton(n)和设定的参考原边电流峰值ippref以及所需实现的目标电流值ioref得到第n+1个开关管控制周期的开关管关断时长toff(n+1)；

11、根据参考原边电流峰值ippref控制第n+1个开关管控制周期的开关管导通时长ton(n+1)，并控制第n+1个开关管控制周期的开关管关断时长为toff(n+1)。

12、其进一步技术方案为，确定原边反馈反激变换器的工作模式的方法包括：

13、在第n个开关管控制周期的开关管关断期间，当原边辅助绕组的分压信号与零电压的比较结果恒定为有效电平时，确定原边反馈反激变换器工作在连续电流模式下；

14、在第n个开关管控制周期的开关管关断期间，当原边辅助绕组的分压信号与零电压的比较结果存在电平变化时，确定原边反馈反激变换器工作在断续电流模式下；

15、其中，原边辅助绕组的分压信号为取连接在变压器原边的辅助绕组两端之间的电阻分压电路的分压端信号。

16、其进一步技术方案为，根据变压器去磁时长tr(n)、开关管导通时长ton(n)和设定的参考原边电流峰值ippref以及所需实现的目标电流值ioref得到第n+1个开关管控制周期的开关管关断时长toff(n+1)的计算表达式为：

17、

18、其中，nps为变压器原边主绕组与副边绕组匝数的比值。

19、其进一步技术方案为，根据变压器去磁时长tr(n)、周期时长ts(n)、原边绕组电流谷值ipv(n)和设定的参考原边电流峰值ippref以及所需实现的目标电流值ioref得到第n+1个开关管控制周期的开关管关断时长toff(n+1)的计算表达式为：

20、

21、其中，nps为变压器原边主绕组与副边绕组匝数的比值。

22、其进一步技术方案为，当原边反馈反激变换器工作在连续电流模式下时，确定第n个开关管控制周期的变压器去磁时长tr(n)的方法包括：

23、在第n个开关管控制周期的开关管关断期间，获取原边辅助绕组的分压信号与零电压的比较结果为有效电平时的时间长度tr_temp作为该模式下的去磁时长tr(n)，原边辅助绕组的分压信号为取连接在变压器原边的辅助绕组两端之间的电阻分压电路的分压端信号。

24、其进一步技术方案为，当原边反馈反激变换器工作在断续电流模式下时，确定第n个开关管控制周期的变压器去磁时长tr(n)的方法包括：

25、在第n个开关管控制周期的开关管关断期间，定义在开关管关断时刻、原边辅助绕组的分压信号与零电压的比较结果为有效电平时的时间长度为tr_temp，定义比较结果为无效电平时的时间长度为tvalley；计算[tr_temp－(tvalley/2)]作为该模式下的去磁时长tr(n)，原边辅助绕组的分压信号为取连接在变压器原边的辅助绕组两端之间的电阻分压电路的分压端信号。

26、其进一步技术方案为，当原边反馈反激变换器工作在断续电流模式下时，确定第n个开关管控制周期的开关管导通时长ton(n)的方法包括：

27、在第n个开关管控制周期的开关管导通期间，获取原边辅助绕组的分压信号与零电压的比较结果为无效电平时的时间长度作为开关管导通时长ton(n)，原边辅助绕组的分压信号为取连接在变压器原边的辅助绕组两端之间的电阻分压电路的分压端信号。

28、其进一步技术方案为，根据参考原边电流峰值ippref控制第n+1个开关管控制周期的开关管导通时长ton(n+1)的方法包括：

29、当开关管导通时，在原边电流采样电压信号上升至设定的原边电压峰值前，开关管控制信号保持为有效电平，在原边电流采样电压信号上升至设定的原边电压峰值时，令开关管控制信号切换为无效电平，开关管关断；

30、其中，原边电流采样电压信号为串联在开关管源端与输入地端之间的电流采样电阻电压；设定的原边电压峰值为参考原边电流峰值ippref与串联在开关管源端与输入地端之间的电流采样电阻阻值的乘积。

31、其进一步技术方案为，当原边反馈反激变换器工作在连续电流模式下时，确定第n个开关管控制周期的原边绕组电流谷值ipv(n)的方法包括：

32、在开关管导通期间将原边电流采样电压信号分别与第一电压vp1和第二电压vp2进行比较，定义原边电流采样电压信号高于第一电压vp1或第二电压vp2时的比较结果为有效电平，与第一电压vp1的比较结果为第一比较结果，与第二电压vp2的比较结果为第二比较结果；记录开关管导通时刻至第二比较结果变为有效电平时刻之间的时间长度为ta，记录第二比较结果变为有效电平时刻至第一比较结果变为有效电平时刻之间的时间长度为tb；基于原边电流采样电压信号在开关管导通期间线性增加，计算得到原边电流采样电压信号在开关管导通期间的谷值vpv(n)表示为：

33、

34、则谷值vpv(n)对应的原边绕组电流谷值ipv(n)由下式计算得到：

35、ipv(n)＝vpv(n)/rp；

36、其中，原边电流采样电压信号为串联在开关管源端与输入地端之间的电流采样电阻电压；第一电压vp1和第二电压vp2为已知电压，且vp1＞vp2；rp为串联在开关管源端与输入地端之间的电流采样电阻。

37、本发明的有益技术效果是：

38、(1)本技术采用原边反馈控制方法，在当前开关管控制周期下，基于计算得到的原边电流参量及相关时间参量直接计算得到下一个开关管控制周期的开关管关断时间，作为变换器的控制参数实现负载的输出恒流控制，无需采用pid调制，可以避免传统采用pid调制方法时引入的输出低频电流纹波对原边反馈反激变换器的影响；

39、(2)本技术采用原边峰值电流控制与关断时长控制相结合的方法控制开关管的通断，在连续电流模式与占空比较大时，由于开关管的导通时长自适应变化实现固定峰值电流控制，当前开关管控制周期中的扰动在本周期结束时归零，因此扰动不会传递至下一周期，在低输入电压时也不会引起次谐波振荡等不稳定问题；

40、(3)本技术提出的方法适用于隔离式或者非隔离开关电源电路结构，具备通用性、可复用性和可移植性。