一种三相串联电容Buck变换器的动态均流方法

本发明属于电力电子，具体涉及一种基于串联电容电荷平衡的动态均流方法及其三相串联电容buck变换器装置。

背景技术：

1、电荷平衡控制(charge balance control,cbc)是一种双模式控制方法，用于提升变换器的负载动态响应速度，其控制思想是：使用线性控制技术使变换器获得良好的稳态性能，在负载瞬态过程中采用非线性环路使变换器获得最佳的负载瞬态响应速度。在buck变换器中，当到负载电流发生上跳/下跳突变时，由于电感电流不能突变，输出电压开始降低/增加。控制器检测到负载电流发生上跳/下跳突变时，立刻将主开关管导通/关断，电感电流开始增加/减小，当电感电流与跳变后的负载电流相等时，输出电压达到其谷值/峰值。利用峰值检测电路检测输出电压谷值/峰值出现的时刻，并采样输出电压谷值vvalley/峰值vpeak。根据输出电容的电荷平衡可以计算得到所需开关时刻的输出电压vsw，当输出电压到达vsw时，切换主开关管的状态。当检测到输出电压恢复到稳态值时，变换器的所有状态变量都到达了新的稳态值，系统以最短的恢复时间和最小的电压跌落/过冲，即最佳瞬态响应，从负载瞬态中恢复过来，之后切换到线性控制器处理控制器切换后的误差和负责变换器的稳态控制工作。

2、电荷平衡控制用于buck变换器时，只需要考虑电感电流和输出电容两个状态变量。但是在一些特殊的应用场合，buck变换器并不能满足要求，比如一些需要高降压比、大输出电流和快速负载瞬态响应的应用场合，这会导致变换器的占空比特别小，从而使系统效率降低和动态范围变小。三相串联电容buck变换器具有高降压比，交错并联的结构，适合这些应用场合。但是变换器具有较多的状态变量，需要使所有的状态变量在负载瞬态过程结束到达新的稳态值。

3、因此，为了提高三相串联电容buck变换器的负载动态响应，可以采用电荷平衡控制，但是如何使变换器所有的状态变量同时到达新的稳态成为待解决的问题。

技术实现思路

1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于串联电容电荷平衡的动态均流控制方法及装置。该控制方法具体的实现方法是：在变换器负载瞬态过程中的“on”段交替平均分配三相占空比，使相电流在瞬态过程中保持动态均流，将系统变为以(isum,vo)为状态变量的简化系统，同时变换器在瞬态过程结束时所有的状态变量都能到达新的稳态值，不会出现串联电容的过充电或过放电以及相电流震荡，同时变换器具有最佳的负载瞬态响应。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、1.一种基于三相串联电容buck(series-capacitor buck,sc-buck)变换器的基于串联电容电荷平衡的动态均流技术，其特征在于，在变换器稳态工作时，采样输出电压并采用线性控制器对变换器的输出电压进行调节，使稳态工作电压为vs；通过输出电压与特定的参考值vcmp1和vcmp2比较，判断负载电流是否发生跳变以及跳变的极性；当负载电流发生跳变时，将线性控制器切换到电荷平衡控制器对变换器进行控制；当负载电流发生上跳突变时，输出电压降低，电荷平衡控制器先将变换器切换到“on”状态，相电流之和isum增加当其增加到与新的负载电流io2相等时，输出电压到达谷值，检测并采样输出电压谷值vvalley，计算开关切换时刻的输出电压vsw1，当输出电压增加到vsw1时，将变换器切换到“off”状态；当负载电流发生下跳突变时，输出电压增加，电荷平衡控制器先将变换器切换到“off”状态，相电流之和减小isum当其减小到与新的负载电流io2相等时，输出电压到达峰值，检测并采样输出电压峰值vpeak，计算开关切换时刻的输出电压vsw2，当输出电压减小到vsw2时，将变换器切换到“on”状态。通过输出电压与特定的参考值vcmp1和vcmp2比较，判断变换器是否回到稳态，当变换器恢复到稳态时，切换到线性控制器调节变换器的输出电压。

4、2.如权利要求1所述的检测电路，vcmp1＝0.98vs，变换器稳态工作输出电压为vs时，比较器输出为低，当比较器置位时，负载电流发生上跳突变；当比较器复位时变换器恢复到稳态。vcmp2＝1.02vs，变换器稳态工作输出电压为vs时，比较器输出为低，当比较器置位时，负载电流发生下跳突变；当比较器复位时，负载电流发生下跳突变。

5、3.如权利要求1所述的电荷平衡控制器，在“off”状态，所有的主开关管sa，sb和sc均处于关断状态，相电流之和isum减小。

6、4.如权利要求1所述的动态均流技术，在“on”状态，变换器的工作占空比保持为1/3，相电流之和isum增加，串联电容的电压保持恒定，相电流在负载瞬态过程中均流。

7、5.如权利要求1所述的电荷平衡控制，vsw1和vsw2的计算公式分别为：

8、

9、6.一种基于串联电容电荷平衡的动态均流技术的装置，其特征在于，包括三相串联电容buck变换器和控制电路，所述三相串联电容buck变换器包括输入电源vin、主开关管sa，sb和sc，同步管da，db和dc、串联电容cb1和cb2、相电感la，lb和lc、输出电容co、负载电阻rl和输出电压vo，所述控制电路包括采样/保持电路、比较器、控制模块和驱动电路；

10、所述开关管sa的漏极与输入电源vin的正极相连，源极与串联电容cb1的正端和开关管sb的漏极相连；开关管sb的源极与串联电容cb2的正端和开关管sc的漏极相连；同步管da的漏极与cb1的负端和相电感la的正端相连；同步管db的漏极与cb2的负端和相电感lb的正端相连；同步管dc的漏极与sc的源极和相电感lc的正端相连；相电感la，lb和lc的负端与输出电容和负载电阻的正极相连；输入电源的负极与所有同步管的源极、输出电容和负载电阻的负极相连。所有的开关管的栅极和源极之间接驱动信号。sa，cb1，da和la构成变换器的第一相，sb，cb2，db和lb构成变换器的第二相，sc，dc和lc构成变换器的第三相；

11、所述采样/保持电路与负载电阻rl并联，用于实时检测负载rl的输出电压，并且将输出电压vo传输至控制模块；线性控制器接收到vo的采样反馈之后稳定输出电压；负责瞬态检测的比较器将输出电压与参考值vcmp1和vcmp2比较，来判断变换器是否发生了负载电流突变以及突变的极性；峰值检测电路用于检测输出电压vo峰值出现时刻，并且在此刻对输出电压进行采样；控制模块根据输出电压vo与vcmp1，vcmp2和vsw的关系，即各个比较器的状态，来选择控制器并产生对应的驱动信号；驱动电路放大控制模块产生的驱动信号控制主电路各开关管的导通和关断。

技术特征：

1.一种基于三相串联电容buck(series-capacitor buck,sc-buck)变换器的基于串联电容电荷平衡的动态均流技术，其特征在于，在变换器稳态工作时，采样输出电压并采用线性控制器对变换器的输出电压进行调节，使稳态工作电压为vs；通过输出电压与特定的参考值vcmp1和vcmp2比较，判断负载电流是否发生跳变以及跳变的极性；当负载电流发生跳变时，将线性控制器切换到电荷平衡控制器对变换器进行控制；当负载电流发生上跳突变时，输出电压降低，电荷平衡控制器先将变换器切换到“on”状态，相电流之和isum增加当其增加到与新的负载电流io2相等时，输出电压到达谷值，检测并采样输出电压谷值vvalley，计算开关切换时刻的输出电压vsw1，当输出电压增加到vsw1时，将变换器切换到“off”状态；当负载电流发生下跳突变时，输出电压增加，电荷平衡控制器先将变换器切换到“off”状态，相电流之和isum减小当其减小到与新的负载电流io2相等时，输出电压到达峰值，检测并采样输出电压峰值vpeak，计算开关切换时刻的输出电压vsw2，当输出电压减小到vsw2时，将变换器切换到“on”状态。通过输出电压与特定的参考值vcmp1和vcmp2比较，判断变换器是否回到稳态，当变换器恢复到稳态时，切换到线性控制器调节变换器的输出电压。

2.如权利要求1所述的检测电路，vcmp1＝0.98vs，变换器稳态工作输出电压为vs时，比较器输出为低，当比较器置位时，负载电流发生上跳突变；当比较器复位时变换器恢复到稳态。vcmp2＝1.02vs，变换器稳态工作输出电压为vs时，比较器输出为低，当比较器置位时，负载电流发生下跳突变；当比较器复位时，负载电流发生下跳突变。

3.如权利要求1所述的电荷平衡控制器，在“off”状态，所有的主开关管sa，sb和sc均处于关断状态，相电流之和isum减小。

4.如权利要求1所述的动态均流技术，在“on”状态，变换器的工作占空比保持为1/3，相电流之和isum增加，串联电容的电压保持恒定，相电流在负载瞬态过程中均流。

5.如权利要求1所述的电荷平衡控制，vsw1和vsw2的计算公式分别为

6.一种基于串联电容电荷平衡的动态均流技术的装置，其特征在于，包括三相串联电容buck变换器和控制电路，所述三相串联电容buck变换器包括输入电源vin、主开关管sa，sb和sc，同步管da，db和dc、串联电容cb1和cb2、相电感la，lb和lc、输出电容co、负载电阻rl和输出电压vo，所述控制电路包括采样/保持电路、比较器、控制模块和驱动电路；

技术总结
本发明提供基于串联电容电荷平衡的动态均流技术及其三相串联电容Buck变换器装置，属于电力电子领域。该控制方法能够保证三相串联电容Buck变换器在具有良好的稳态精度的同时，可以快速对负载电流突变做出响应；该控制方法将三相串联电容Buck变换器实施电荷平衡控制时难以保证所有的状态变量在瞬态过程结束同时到达新的稳态值得问题进行了简化和解决；该控制方法具有恒定的开关频率、与变换器电路参数无关、零稳态误差和快速的负载瞬态响应等优点。

技术研发人员：陈章勇,向天雨,吴云峰,郑展超,唐璇,陈勇
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13