專利名稱：使用數(shù)字控制的dc/dc轉(zhuǎn)換器及其效率優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器及其效率優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
作為混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換部件之一，DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能是將車載高壓電池組的電壓轉(zhuǎn)換為14V電源以供應(yīng)常規(guī)低壓車載設(shè)備(單向降壓模式)，或同時(shí)附帶14V升壓助推能力(雙向模式)。DC/DC轉(zhuǎn)換器具有多種實(shí)現(xiàn)方式，如豐田汽車公司的凱美瑞混合動(dòng)力車早期所采用的升壓加半橋的兩級(jí)轉(zhuǎn)換電路，及更普遍的全橋移相零電壓開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)。從控制方式方面，這些DC/DC轉(zhuǎn)換器均采用模擬控制，其核心控制功能，如誤差放大器、斜坡發(fā)生器、脈寬調(diào)制器(PWM)及過壓過流保護(hù)、軟啟動(dòng)等均由專門的開關(guān)電源控制集成電路完成。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，采用模擬控制的頂級(jí)規(guī)范DC/DC轉(zhuǎn)換器性能已經(jīng)基本到達(dá)其頂峰。使用熟悉的傳統(tǒng)模擬控制驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)僅允許在轉(zhuǎn)換效率和功率密度指標(biāo)方面做非常小的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器及其效率優(yōu)化方法，其實(shí)現(xiàn)了 DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制，同時(shí)自適應(yīng)的同步整流器對(duì)死區(qū)時(shí)間實(shí)現(xiàn)優(yōu)化進(jìn)而達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換效率。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括功率級(jí)電路以及控制單元兩部分，功率級(jí)電路的初級(jí)包括由四組開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管Ql、Q2、Q3、Q4組成的全橋逆變電路，全橋逆變電路的輸入端與直流高壓相連接且輸出端與高頻變壓器的初級(jí)繞組相接，高頻變壓器的次級(jí)繞組輸出經(jīng)整流濾波后與直流低壓輸出連接，次級(jí)采用由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Q5、Q6組成的同步整流器降低次級(jí)的導(dǎo)通損耗，控制單元的高精度脈寬調(diào)制(HRPWM)輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后接入所述的場(chǎng)效應(yīng)管Ql Q6的柵極。對(duì)于上述技術(shù)方案，發(fā)明人還有進(jìn)一步的優(yōu)化實(shí)施方案。作為優(yōu)化，在功率級(jí)電路的初級(jí)中設(shè)有電流變壓器，用于向控制單元提供所需的電流信號(hào)。作為優(yōu)化，全橋逆變電路的輸出端還設(shè)有換流電感，換流電感同高頻變壓器的初級(jí)繞組串聯(lián)，再與源邊橋臂的寄生電容形成諧振電路實(shí)現(xiàn)ZVS操作。作為優(yōu)化，控制單元包括微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高精度脈寬調(diào)制器(HRPWM)、控制律協(xié)處理器(CLA )， DC/DC轉(zhuǎn)換器中的功率級(jí)電路的模擬信號(hào)經(jīng)緩沖電路同模數(shù)轉(zhuǎn)換器相接；高精度脈寬調(diào)制器負(fù)責(zé)產(chǎn)生功率級(jí)開關(guān)器件Ql Q6的柵極控制信號(hào)，柵極控制信號(hào)的控制量包括精確的周期、相移和死區(qū)時(shí)間；
控制律協(xié)處理器用于對(duì)電流進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，微處理器用于實(shí)現(xiàn)低速的輸出電壓控制及系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功；微處理器與控制律協(xié)處理器之間的通信協(xié)調(diào)通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的共享區(qū)域完成。作為優(yōu)化，控制單元中還設(shè)有模擬比較器，DC/DC轉(zhuǎn)換器中的模擬信號(hào)送入到模擬比較器，模擬比較器比較電壓、電流、溫度信號(hào)判斷是否存在過壓、過流和超溫，并且根據(jù)判定結(jié)果通過高精度脈寬調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)電路的控制，用于實(shí)現(xiàn)快速系統(tǒng)保護(hù)避免損壞DC/DC轉(zhuǎn)換器硬件。作為優(yōu)化，DC/DC轉(zhuǎn)換器中的功率級(jí)電路的模擬信號(hào)包括輸入電壓、輸出電壓、電
流以及溫度信號(hào)。本發(fā)明還提供了一種使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率優(yōu)化方法，所述方法用于搜索最佳的延遲時(shí)間tdl和td2，tdl以Q2控制PWM的下降沿為參考，td2以Q4控制PWM的下降沿為參考，使轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)占空比最小，DC/DC轉(zhuǎn)換器的控制單元的多路PWM共享同一時(shí)間基準(zhǔn)，具體優(yōu)化流程(以搜索tdl為例描述)如下:步驟1、開始將tdl設(shè)定為一充分小的時(shí)間值以保證DC/DC轉(zhuǎn)換器安全運(yùn)行，保存此值作為最優(yōu)值；步驟2、等待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，控制器保存相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)占空比；步驟3、控制器按步長(zhǎng)Λ tdl遞增死區(qū)時(shí)間tdl ；步驟4、算法待系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，控制器獲取tdl增加后的占空比并與第3步的占空比進(jìn)行比較；步驟5、如果新的穩(wěn)態(tài)占空比小于或等于保存的占空比值，算法以新占空比值覆蓋舊值后返回步驟3，重復(fù)步驟3 5 ;步驟6、新的穩(wěn)態(tài)占空比大于保存的占空比值，算法設(shè)定遞增前的tdl為最優(yōu)值并結(jié)束tdl搜索；步驟7、從可行的充分大的時(shí)間值遞減搜索td2 ；步驟8、結(jié)束。所述效率優(yōu)化方法的執(zhí)行由觸發(fā)機(jī)制引起，可能的觸發(fā)機(jī)制含系統(tǒng)上電復(fù)位、一定的轉(zhuǎn)換器操作條件的變化(如輸入電壓、負(fù)載電流、溫度變化和其它瞬態(tài)事件)。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:1.在不犧牲任何電氣性能，包括調(diào)節(jié)精度、瞬態(tài)響應(yīng)、輸出噪聲水平條件下，轉(zhuǎn)換效率至少等于最優(yōu)的可用模擬解決方案；2.更高的集成度和更豐富的工作特性、靈活性；3.轉(zhuǎn)換器的快速反饋控制回路和系統(tǒng)控制功能由同一微控制器完成，直接降低器件數(shù)量成本、電路板空間成本；4.更易于實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載條件下的突發(fā)模式(Burst Mode)操作，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載條件下的轉(zhuǎn)換效率；5.允許多組控制參數(shù)設(shè)置、通過實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)度在寬范圍內(nèi)改善轉(zhuǎn)換器瞬態(tài)響應(yīng)特性。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:圖1為本發(fā)明實(shí)施例的功率級(jí)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的數(shù)字式反饋控制環(huán)路工作示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的數(shù)字式移相脈寬調(diào)制(PWM)輸出波形圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的次級(jí)同步整流器死區(qū)時(shí)間設(shè)置示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化的系統(tǒng)流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述方案做進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。實(shí)施例:本實(shí)施例描述了一種使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括功率級(jí)電路以及控制單元兩部分，如圖1所示的功率級(jí)電路的初級(jí)包括由四組開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2、Q3、Q4組成的全橋逆變電路，全橋逆變電路的輸入端與直流高壓I相連接且輸出端與高頻變壓器2的初級(jí)繞組相接，高頻變壓器2的次級(jí)繞組輸出經(jīng)整流濾波后與直流低壓輸出5連接，次級(jí)采用由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Q5、Q6組成的同步整流器降低次級(jí)的導(dǎo)通損耗，控制單元的高精度脈寬調(diào)制(HRPWM)輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后接入所述的場(chǎng)效應(yīng)管Ql Q6的柵極。在功率級(jí)電路的初級(jí)中設(shè)有電流變壓器3，用于向控制單元提供所需的電流信號(hào)。全橋逆變電路的輸出端還設(shè)有換流電感，換流電感同高頻變壓器2的初級(jí)繞組串聯(lián)，再與源邊橋臂的寄生電容形成諧振電路實(shí)現(xiàn)ZVS操作。如圖2所示的控制單元包括微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高精度脈寬調(diào)制器(HRPWM)、控制律協(xié)處理器(CLA ) 10，DC/DC轉(zhuǎn)換器中的功率級(jí)電路的模擬信號(hào)經(jīng)緩沖電路同模數(shù)轉(zhuǎn)換器相接；高精度脈寬調(diào)制器負(fù)責(zé)產(chǎn)生功率級(jí)開關(guān)器件Ql Q6的柵極控制信號(hào)，柵極控制信號(hào)的控制量包括精確的周期、相移和死區(qū)時(shí)間；控制律協(xié)處理器用于對(duì)電流進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，微處理器用于實(shí)現(xiàn)低速的輸出電壓控制及系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功；微處理器與控制律協(xié)處理器之間的通信協(xié)調(diào)通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的共享區(qū)域完成?？刂茊卧羞€設(shè)有模擬比較器，DC/DC轉(zhuǎn)換器中的模擬信號(hào)送入到模擬比較器，模擬比較器比較電壓、電流、溫度信號(hào)判斷是否存在過壓、過流和超溫，并且根據(jù)判定結(jié)果通過高精度脈寬調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)電路的控制，用于實(shí)現(xiàn)快速系統(tǒng)保護(hù)避免損壞DC/DC轉(zhuǎn)換器硬件。DC/DC轉(zhuǎn)換器中的功率級(jí)電路的模擬信號(hào)包括輸入電壓、輸出電壓、電流以及溫度信號(hào)。DC/DC轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路的工作流程如圖3所示，具體如下:在DC/DC轉(zhuǎn)換器每一開關(guān)周期，輸出電壓首先經(jīng)過取樣后由12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，該信號(hào)同電壓設(shè)定值相減得到輸出電壓誤差項(xiàng)ev(t);此誤差項(xiàng)再經(jīng)過與PID等效的數(shù)字環(huán)路濾波器，從誤差輸入至濾波器輸出的時(shí)域關(guān)系可描述為:
權(quán)利要求
1.一種使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括功率級(jí)電路以及控制單元兩部分，其特征在于，功率級(jí)電路的初級(jí)包括由四組開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管Ql、Q2、Q3、Q4組成的全橋逆變電路，全橋逆變電路的輸入端與直流高壓相連接且輸出端與高頻變壓器的初級(jí)繞組相接，高頻變壓器的次級(jí)繞組輸出經(jīng)整流濾波后與直流低壓輸出連接，次級(jí)采用由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Q5、Q6組成的同步整流器降低次級(jí)的導(dǎo)通損耗，控制單元的高精度脈寬調(diào)制(HRPWM)輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后接入所述的場(chǎng)效應(yīng)管Qf Q6的柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，在功率級(jí)電路的初級(jí)中設(shè)有電流變壓器，用于向控制單元提供所需的電流信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，全橋逆變電路的輸出端還設(shè)有換流電感，換流電感同高頻變壓器的初級(jí)繞組串聯(lián)，再與源邊橋臂的寄生電容形成諧振電路實(shí)現(xiàn)ZVS操作。
4.根據(jù)權(quán) 利要求1所述的使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，控制單元包括微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高精度脈寬調(diào)制器(HRPWM)、控制律協(xié)處理器(CLA)， DC/DC轉(zhuǎn)換器中的功率級(jí)電路的模擬信號(hào)經(jīng)緩沖電路同模數(shù)轉(zhuǎn)換器相接； 高精度脈寬調(diào)制器負(fù)責(zé)產(chǎn)生功率級(jí)開關(guān)器件Qf Q6的柵極控制信號(hào)，柵極控制信號(hào)的控制量包括精確的周期、相移和死區(qū)時(shí)間； 控制律協(xié)處理器用于對(duì)電流進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，微處理器用于實(shí)現(xiàn)低速的輸出電壓控制及系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功； 微處理器與控制律協(xié)處理器之間的通信協(xié)調(diào)通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的共享區(qū)域完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，控制單元中還設(shè)有模擬比較器，DC/DC轉(zhuǎn)換器中的模擬信號(hào)送入到模擬比較器，模擬比較器比較電壓、電流、溫度信號(hào)判斷是否存在過壓、過流和超溫，并且根據(jù)判定結(jié)果通過高精度脈寬調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)電路的控制，用于實(shí)現(xiàn)快速系統(tǒng)保護(hù)避免損壞DC/DC轉(zhuǎn)換器硬件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，DC/DC轉(zhuǎn)換器中的功率級(jí)電路的模擬信號(hào)包括輸入電壓、輸出電壓、電流以及溫度信號(hào)。
7.一種使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法用于搜索最佳的延遲時(shí)間tdl和td2，tdl以Q2控制PWM的下降沿為參考，td2以Q4控制PWM的下降沿為參考，使轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)占空比最小，DC/DC轉(zhuǎn)換器的控制單元的多路PWM共享同一時(shí)間基準(zhǔn)，具體優(yōu)化流程(以搜索tdl為例描述)如下: 步驟1、開始將tdl設(shè)定為一充分小的時(shí)間值以保證DC/DC轉(zhuǎn)換器安全運(yùn)行，保存此值作為最優(yōu)值； 步驟2、等待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài),控制器保存相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)占空比； 步驟3、控制器按步長(zhǎng)Λ tdl遞增死區(qū)時(shí)間tdl ； 步驟4、算法待系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，控制器獲取tdl增加后的占空比并與第3步的占空比進(jìn)行比較； 步驟5、如果新的穩(wěn)態(tài)占空比小于或等于保存的占空比值，算法以新占空比值覆蓋舊值后返回步驟3，重復(fù)步驟:Γ5;步驟6、新的穩(wěn)態(tài)占空比大于保存的占空比值，算法設(shè)定遞增前的tdl為最優(yōu)值并結(jié)束tdl搜索； 步驟7、從可行的充分大的時(shí)間值遞減搜索td2 ； 步驟8、結(jié)束。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率優(yōu)化方法，其特征在于，所述效率優(yōu)化方法的執(zhí)行由觸發(fā)機(jī)制引起，可能的觸發(fā)機(jī)制含系統(tǒng)上電復(fù)位、一定的轉(zhuǎn)換器操作條件的變化(如輸入電壓、負(fù)載電流、溫度變化和其它瞬態(tài)事件)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用數(shù)字控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器及其效率優(yōu)化方法，DC/DC轉(zhuǎn)換器包括功率級(jí)電路以及控制單元兩部分，功率級(jí)電路的初級(jí)包括由四組開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2、Q3、Q4組成的全橋逆變電路，全橋逆變電路的輸入端與直流高壓相連接且輸出端與高頻變壓器的初級(jí)繞組相接，高頻變壓器的次級(jí)繞組輸出經(jīng)整流濾波后與直流低壓輸出連接，次級(jí)采用由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Q5、Q6組成的同步整流器降低次級(jí)的導(dǎo)通損耗，控制單元的高精度脈寬調(diào)制(HRPWM)輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后接入所述的場(chǎng)效應(yīng)管Q1~Q6的柵極。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制，同時(shí)自適應(yīng)的同步整流器對(duì)死區(qū)時(shí)間實(shí)現(xiàn)優(yōu)化進(jìn)而達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H02M3/335GK103138588SQ20131009591
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者王盛宇, 周勁松 申請(qǐng)人:蘇州朗旭電子科技有限公司