專利名稱：軟啟停直流開關(guān)電源及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流開關(guān)電源及其控制方法，尤其涉及一種基于數(shù)字控制的直流開關(guān)電源軟啟停的方法。
背景技術(shù)：
直接由電網(wǎng)供電的直流開關(guān)電源，大多數(shù)的使用場(chǎng)合是輸入電壓高，輸入濾波和輸出濾波的電容值大，在接通電網(wǎng)瞬間將會(huì)產(chǎn)生非常大的浪涌電流，不僅會(huì)損壞橋式整流二極管，熔化開關(guān)接點(diǎn)，還會(huì)使高頻變壓器飽和，損壞功率開關(guān)管。軟啟動(dòng)電路可以減小電容的充電電流，有效地防止浪涌電流的最大峰值。
目前，直流開關(guān)電源要實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)通常是在不可控整流部分與直流變直流變換器部分之間專門設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)電路，最常見的一種簡(jiǎn)單形式就是串連電阻，主要靠軟啟動(dòng)電路中的電阻來限制輸入的浪涌電流的峰值，但同時(shí)在電阻上也會(huì)消耗一定的電能。因此傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)電路引入了額外的損耗，導(dǎo)致電源效率不高。而且現(xiàn)有的直流開關(guān)電源未對(duì)電源關(guān)斷過程(或者叫停止過程)中電容電壓突變引起的沖擊電流進(jìn)行限制。
如圖1，現(xiàn)有的直流開關(guān)電源由EMI濾波器1、不控整流2、DC/DC 3、檢測(cè)調(diào)理電路4、驅(qū)動(dòng)電路5、控制器6組成；EMI濾波器1、不控整流2、DC/DC變換器3依次開環(huán)連接；DC/DC變換器3、檢測(cè)調(diào)理電路4、控制器6、驅(qū)動(dòng)電路5、DC/DC變換器3依次閉環(huán)連接；當(dāng)DC/DC變換器3的輸出電壓與參考值不一致時(shí)將得到自動(dòng)調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，而提供一種軟啟停直流開關(guān)電源及其控制方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的將交流輸入的能量經(jīng)過功率變換后傳輸?shù)秸?fù)母線上，供用電設(shè)備使用。在啟停過程中，檢測(cè)直流輸出電壓作為反饋值，按照設(shè)定的軟啟停規(guī)律控制功率變換電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使直流輸出電壓按照設(shè)計(jì)的規(guī)律變化。所用到的“DC/DC電路”和“功率因數(shù)校正數(shù)字控制模塊”是數(shù)字控制的直流開關(guān)電源的基本單元，無需額外設(shè)計(jì)電路，降低了成本；而且數(shù)字控制的軟啟停過程可以根據(jù)需要靈活設(shè)置軟啟停曲線，達(dá)到滿意的軟啟停特性，減小對(duì)用電設(shè)備的沖擊。
具體地說本發(fā)明是在圖1所示的控制器6采用微處理器(簡(jiǎn)稱CPU)，即用CPU來作為控制器6，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字控制。將輸出電壓經(jīng)過檢測(cè)調(diào)理電路4送給CPU，通過軟件來實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)控制輸出電壓緩慢上升或下降，抑制輸出電壓的變化率，從而完成電源的軟啟停功能。
1、按照?qǐng)D2構(gòu)建電路結(jié)構(gòu)，尤其是選用CPU。
2、增加一個(gè)產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)的簡(jiǎn)單電路，如圖4，將電源開關(guān)信號(hào)送至CPU。
3、為CPU編寫軟件，主要是給電源穩(wěn)壓子程序不斷改寫電壓參考值來控制輸出電壓緩慢上升或下降，其程序流程圖如圖5。
一、軟啟停直流開關(guān)電源如圖2，軟啟停直流開關(guān)電源包括EMI濾波器1、不控整流2、DC/DC變換器3、檢測(cè)調(diào)理電路4、驅(qū)動(dòng)電路5、控制器6；EMI濾波器1、不控整流2、DC/DC變換器3依次開環(huán)連接；DC/DC變換器3、檢測(cè)調(diào)理電路4、控制器6、驅(qū)動(dòng)電路5、DC/DC變換器3依次閉環(huán)連接；當(dāng)DC/DC變換器3的輸出電壓與參考值不一致時(shí)將得到自動(dòng)調(diào)節(jié)。
如圖3，所述的控制器6由均值計(jì)算模塊A、倒數(shù)計(jì)算模塊B、電壓PI控制器C、電流PI控制器D、PWM模塊E、第一A/DF、第二A/DG、第三A/DH、第一乘法器I、第二乘法器J、第一比較器K、第二比較器L組成；其連接關(guān)系是由第一A/DF得到的電源輸入電壓信號(hào)一路依次經(jīng)過均值計(jì)算模塊A、倒數(shù)計(jì)算模塊B得到輸入電壓前饋信號(hào)送至第一乘法器(I)，另一路直接送至第二乘法器(J)；由第三A/DH得到的輸出電壓信號(hào)送至第一比較器K，與參考值比較得到的差值送給電壓PI控制器C處理，之后電壓PI控制器C輸出信號(hào)至乘法器I；送至乘法器I的上述三路信號(hào)相乘后得到電流參考信號(hào)送至第二比較器L；由第二A/DG得到的輸入電流信號(hào)送至第二比較器L，與電流參考信號(hào)比較得到的差值送至電流PI控制器D處理，之后送至PWM模塊E；PWM模塊E輸出信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路5。
其工作原理是圖3原本為直流開關(guān)電源中必有環(huán)節(jié)功率因數(shù)校正的數(shù)字控制原理圖，所示的控制策略需要采樣三個(gè)量輸入電壓、輸入電流和輸出電壓，分別由第一A/DF、第二A/DG、第三A/DH來完成。其控制方式為電壓、電流雙環(huán)控制。電壓PI控制器C用來控制輸出電壓，電流PI控制器D用來校正輸入電流，使得電流能夠與輸入電壓同相位，從而達(dá)到功率因數(shù)校正的效果。這是常見的數(shù)字式功率因數(shù)校正的控制方案，相關(guān)專業(yè)人員比較容易實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明正是在這個(gè)控制策略的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)，在軟啟停過程中通過軟件按照期望的電壓軟啟停曲線實(shí)時(shí)地改變電壓參考值實(shí)現(xiàn)電壓變化的軟化，從而減小浪涌電流。這樣既實(shí)現(xiàn)了必須的功率因數(shù)校正功能，又實(shí)現(xiàn)了軟啟停功能。
二、軟啟停直流開關(guān)電源控制方法包括下列步驟1、為了降低了成本，消除額外損耗，本發(fā)明不需要另外設(shè)計(jì)軟啟停電路，而是在現(xiàn)有的數(shù)字控制器上通過軟件設(shè)計(jì)在功率因數(shù)校正的程序中不斷改變輸出電壓參考值來實(shí)現(xiàn)軟啟停。
2、通過設(shè)置軟啟停曲線，達(dá)到滿意的軟啟停特性，減小對(duì)用電設(shè)備的沖擊。
在具體數(shù)字控制器的軟件設(shè)計(jì)中，巧妙地引入一個(gè)軟化系數(shù)p，使得
Vref＝p*Vo其中，Vo為電源啟動(dòng)完畢后期望的穩(wěn)定直流輸出值，即參考值終值；Vref為電壓參考值0≤p≤1。
3、在軟啟動(dòng)過程中按照期望的軟啟動(dòng)曲線(即p相對(duì)于時(shí)間的一條上升曲線，簡(jiǎn)稱p上升曲線)來增加p，直到p等于1就不再增加，從而實(shí)現(xiàn)電壓軟上升過程；同理，在軟停止過程中按照期望的軟停止曲線(即p相對(duì)于時(shí)間的一條下降曲線，簡(jiǎn)稱p下降曲線)來減小p，直到p等于0就不再減小，從而實(shí)現(xiàn)電壓軟下降過程。
特別地，p上升曲線和p下降曲線是需要經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)得到的，從而獲得啟停速度與減小浪涌電流之間的平衡。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、本發(fā)明不用專門設(shè)計(jì)軟啟停電路，通過CPU控制程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)電源啟動(dòng)和停止過程中浪涌電流的抑制，從而減少了額外損耗和成本；2、可以針對(duì)不同的負(fù)載特性很容易的通過軟件改變軟啟停曲線，以滿足啟停速度與減小浪涌電流的要求，設(shè)計(jì)靈活；3、適用于所有數(shù)字化控制的直流開關(guān)電源。


圖1-現(xiàn)有的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖；圖2-本發(fā)明的軟啟停直流開關(guān)電源原理圖；圖3-本發(fā)明的控制器原理圖；圖4-本發(fā)明的電源開關(guān)信號(hào)電路圖；圖5-本發(fā)明的CPU程序流程圖；其中1-電磁干擾濾波器，簡(jiǎn)稱EMI濾波器；2-不可控整流，簡(jiǎn)稱不控整流；
3-直流變直流變換器，簡(jiǎn)稱DC/DC變換器；4-信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路，簡(jiǎn)稱檢測(cè)調(diào)理電路；5-驅(qū)動(dòng)電路；6-控制器。
A-輸出電壓平均值計(jì)算模塊，簡(jiǎn)稱均值計(jì)算模塊；B-輸出電壓平均值倒數(shù)計(jì)算模塊，簡(jiǎn)稱倒數(shù)計(jì)算模塊；C-電壓PI控制器；D-電流PI控制器；E-脈寬調(diào)制模塊，簡(jiǎn)稱PWM模塊F-第一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換通道，簡(jiǎn)稱第一A/D；G-第二模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換通道，簡(jiǎn)稱第二A/D；H-第三模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換通道，簡(jiǎn)稱第三A/D；I-第一乘法器；J-第二乘法器；K-第一比較器；L-第二比較器。
a-開始；b-系統(tǒng)初始化，即電壓參考值歸零，預(yù)定電壓參考值終值；c-檢測(cè)開關(guān)信號(hào)？d-增加電壓參考值；e-調(diào)用穩(wěn)壓子程序f-參考值＝預(yù)定值嗎？g-減少電壓參考值；h-參考值＝0？
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明一、軟啟停直流開關(guān)電源功能塊的選取1、EMI濾波器1EMI濾波器1選用型號(hào)ZJG2206M-P的EMI濾波器；2、不控整流2不控整流2選用KBL06整流模塊；3、DC/DC變換器3DC/DC變換器3采用的是升壓型DC/DC變換器，即Boost變換器，其中核心的功率MOSFET選用的是國際整流公司(簡(jiǎn)稱IR公司)的IRF840；4、檢測(cè)調(diào)理電路4檢測(cè)調(diào)理電路4選用瑞士LEM公司的LV25-P和LA25-P分別作電壓和電流傳感器；5、驅(qū)動(dòng)電路5驅(qū)動(dòng)電路5采用的是IR公司的IR2117，這是一款高電壓高速度的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片。
6、控制器6控制器6的CPU選用TI公司出產(chǎn)的型號(hào)為TMS320LF2407A的DSP，該款DSP內(nèi)部集成了模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和PWM模塊。因此，利用這款DSP可以比較容易的實(shí)現(xiàn)圖2中控制器6所示的控制方案。
二、本程序流程包括，如圖5開始a；系統(tǒng)初始化，電壓參考值歸零，預(yù)定電壓參考值終值(簡(jiǎn)稱預(yù)定值)b；檢測(cè)開關(guān)信號(hào)c，若是關(guān)就繼續(xù)檢測(cè)開關(guān)信號(hào)c，若是開就執(zhí)行軟啟動(dòng)子程序；其中軟啟動(dòng)子程序部分流程是；增加電壓參考值d，調(diào)用穩(wěn)壓子程序e；檢驗(yàn)開關(guān)信號(hào)c，若是關(guān)就轉(zhuǎn)到軟停止子程序，若是開就繼續(xù)后面程序；判斷參考值＝預(yù)定值f，若否就轉(zhuǎn)到增加電壓參考值d，若是就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e；檢測(cè)開關(guān)信號(hào)c，若是關(guān)就轉(zhuǎn)到軟停止子程序，若是開就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e，再次檢測(cè)開關(guān)信號(hào)c，若是關(guān)就轉(zhuǎn)到軟停止子程序，若是開就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e，不斷循環(huán)。
其中軟停止子程序部分流程是減少電壓參考值g；調(diào)用穩(wěn)壓子程序e；檢測(cè)開關(guān)信號(hào)c，若是開就轉(zhuǎn)到軟啟動(dòng)子程序，若是關(guān)就繼續(xù)后面程序；判斷參考值＝0h，若否就轉(zhuǎn)到減少電壓參考值g，若是就就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e；檢測(cè)開關(guān)信號(hào)c，若是開就轉(zhuǎn)到軟啟動(dòng)子程序，若是關(guān)就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e，再次檢測(cè)開關(guān)信號(hào)c，若是開就轉(zhuǎn)到軟啟動(dòng)子程序，若是關(guān)就調(diào)用穩(wěn)壓子程序e，不斷循環(huán)。
其中穩(wěn)壓子程序就是按照在發(fā)明內(nèi)容中所述的控制器6各個(gè)模塊的連接關(guān)系編寫的子程序。
權(quán)利要求
1.一種軟啟停直流開關(guān)電源，包括EMI濾波器(1)、不控整流(2)、DC/DC變換器(3)、檢測(cè)調(diào)理電路(4)、驅(qū)動(dòng)電路(5)、控制器(6)；EMI濾波器(1)、不控整流(2)、DC/DC變換器(3)依次開環(huán)連接；DC/DC變換器(3)、檢測(cè)調(diào)理電路(4)、控制器(6)、驅(qū)動(dòng)電路(5)、DC/DC變換器(3)依次閉環(huán)連接；其特征在于所述的控制器6由均值計(jì)算模塊(A)、倒數(shù)計(jì)算模塊(B)、電壓PI控制器(C)、電流PI控制器(D)、PWM模塊(E)、第一A/D(F)、第二A/D(G)、第三A/D(H)、第一乘法器(I)、第二乘法器(J)、第一比較器(K)、第二比較器(L)組成；其連接關(guān)系是由第一A/D(F)得到的電源輸入電壓信號(hào)一路依次經(jīng)過均值計(jì)算模塊(A)、倒數(shù)計(jì)算模塊(B)得到輸入電壓前饋信號(hào)送至第一乘法器(I)，另一路直接送至第二乘法器(J)；由第三A/D(H)得到的輸出電壓信號(hào)送至第一比較器(K)，與參考值比較得到的差值送給電壓PI控制器(C)處理，之后電壓PI控制器(C)輸出信號(hào)至乘法器(I)；送至乘法器(I)的上述三路信號(hào)相乘后得到電流參考信號(hào)送至第二比較器(L)；由第二A/D(G)得到的輸入電流信號(hào)送至第二比較器(L)，與電流參考信號(hào)比較得到的差值送至電流PI控制器(D)處理，之后送至PWM模塊(E)；PWM模塊(E)輸出信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路(5)。
2.一種軟啟停直流開關(guān)電源控制方法，其特征在于①在數(shù)字控制器上通過軟件設(shè)計(jì)在功率因數(shù)校正的程序中不斷改變輸出電壓參考值來實(shí)現(xiàn)軟啟停；②設(shè)置軟啟停曲線，Vref＝p*Vo其中，Vo為電源啟動(dòng)完畢后期望的穩(wěn)定直流輸出值，即參考值終值；Vref為電壓參考值；0≤p≤1；③在軟啟動(dòng)過程中，按照p上升曲線增加p，直到p等于1，從而實(shí)現(xiàn)電壓軟上升過程；在軟停止過程中，按照p下降曲線減小p，直到p等于0，從而實(shí)現(xiàn)電壓軟下降過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軟啟停直流開關(guān)電源及其控制方法，涉及一種直流開關(guān)電源及其控制方法。軟啟停直流開關(guān)電源包括EMI濾波器1、不控整流2、DC/DC變換器3、檢測(cè)調(diào)理電路4、驅(qū)動(dòng)電路5、控制器6；其中的控制器6由均值計(jì)算模塊A、倒數(shù)計(jì)算模塊B、電壓PI控制器C、電流PI控制器D、PWM模塊E、第一A/DF、第二A/DG、第三A/DH、第一乘法器I、第二乘法器J、第一比較器K、第二比較器L組成。軟啟停直流開關(guān)電源控制方法是在數(shù)字控制器上通過軟件設(shè)計(jì)在功率因數(shù)校正的程序中不斷改變輸出電壓參考值來實(shí)現(xiàn)軟啟停。本發(fā)明通過CPU控制程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)電源啟動(dòng)和停止過程中浪涌電流的抑制，從而減少了額外損耗和成本；適用于所有數(shù)字化控制的直流開關(guān)電源。
文檔編號(hào)H02H9/04GK1885695SQ20061001918
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者劉開培, 曾光 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)