专利名称：使用数字控制的dc/dc转换器及其效率优化方法
技术领域：
本发明涉及一种使用数字控制的DC/DC转换器及其效率优化方法。
背景技术：
作为混合动力、纯电动汽车关键能量转换部件之一，DC/DC转换器的功能是将车载高压电池组的电压转换为14V电源以供应常规低压车载设备(单向降压模式)，或同时附带14V升压助推能力(双向模式)。DC/DC转换器具有多种实现方式，如丰田汽车公司的凯美瑞混合动力车早期所采用的升压加半桥的两级转换电路，及更普遍的全桥移相零电压开关电路实现。从控制方式方面，这些DC/DC转换器均采用模拟控制，其核心控制功能，如误差放大器、斜坡发生器、脉宽调制器(PWM)及过压过流保护、软启动等均由专门的开关电源控制集成电路完成。经过几十年的发展，采用模拟控制的顶级规范DC/DC转换器性能已经基本到达其顶峰。使用熟悉的传统模拟控制驱动设计仅允许在转换效率和功率密度指标方面做非常小的改进。
发明内容
本发明目的在于提供一种使用数字控制的DC/DC转换器及其效率优化方法，其实现了 DC/DC转换器的数字控制，同时自适应的同步整流器对死区时间实现优化进而达到更高的转换效率。为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是:一种使用数字控制的DC/DC转换器，包括功率级电路以及控制单元两部分，功率级电路的初级包括由四组开关场效应管Ql、Q2、Q3、Q4组成的全桥逆变电路，全桥逆变电路的输入端与直流高压相连接且输出端与高频变压器的初级绕组相接，高频变压器的次级绕组输出经整流滤波后与直流低压输出连接，次级采用由两个场效应管Q5、Q6组成的同步整流器降低次级的导通损耗，控制单元的高精度脉宽调制(HRPWM)输出经驱动电路后接入所述的场效应管Ql Q6的栅极。对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案。作为优化，在功率级电路的初级中设有电流变压器，用于向控制单元提供所需的电流信号。作为优化，全桥逆变电路的输出端还设有换流电感，换流电感同高频变压器的初级绕组串联，再与源边桥臂的寄生电容形成谐振电路实现ZVS操作。作为优化，控制单元包括微处理器、数据存储器、模数转换器(ADC)、高精度脉宽调制器(HRPWM)、控制律协处理器(CLA )， DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号经缓冲电路同模数转换器相接；高精度脉宽调制器负责产生功率级开关器件Ql Q6的栅极控制信号，栅极控制信号的控制量包括精确的周期、相移和死区时间；
控制律协处理器用于对电流进行快速调节，微处理器用于实现低速的输出电压控制及系统监测功；微处理器与控制律协处理器之间的通信协调通过数据存储器的共享区域完成。作为优化，控制单元中还设有模拟比较器，DC/DC转换器中的模拟信号送入到模拟比较器，模拟比较器比较电压、电流、温度信号判断是否存在过压、过流和超温，并且根据判定结果通过高精度脉宽调制器实现对DC/DC转换器的功率级电路的控制，用于实现快速系统保护避免损坏DC/DC转换器硬件。作为优化，DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号包括输入电压、输出电压、电
流以及温度信号。本发明还提供了一种使用数字控制的DC/DC转换器的效率优化方法，所述方法用于搜索最佳的延迟时间tdl和td2，tdl以Q2控制PWM的下降沿为参考，td2以Q4控制PWM的下降沿为参考，使转换器的稳态占空比最小，DC/DC转换器的控制单元的多路PWM共享同一时间基准，具体优化流程(以搜索tdl为例描述)如下:步骤1、开始将tdl设定为一充分小的时间值以保证DC/DC转换器安全运行，保存此值作为最优值；步骤2、等待系统达到稳态，控制器保存相应的稳态占空比；步骤3、控制器按步长Λ tdl递增死区时间tdl ；步骤4、算法待系统达到新的稳态，控制器获取tdl增加后的占空比并与第3步的占空比进行比较；步骤5、如果新的稳态占空比小于或等于保存的占空比值，算法以新占空比值覆盖旧值后返回步骤3，重复步骤3 5 ;步骤6、新的稳态占空比大于保存的占空比值，算法设定递增前的tdl为最优值并结束tdl搜索；步骤7、从可行的充分大的时间值递减搜索td2 ；步骤8、结束。所述效率优化方法的执行由触发机制引起，可能的触发机制含系统上电复位、一定的转换器操作条件的变化(如输入电压、负载电流、温度变化和其它瞬态事件)。相对于现有技术中的方案，本发明的优点是:1.在不牺牲任何电气性能，包括调节精度、瞬态响应、输出噪声水平条件下，转换效率至少等于最优的可用模拟解决方案；2.更高的集成度和更丰富的工作特性、灵活性；3.转换器的快速反馈控制回路和系统控制功能由同一微控制器完成，直接降低器件数量成本、电路板空间成本；4.更易于实现轻负载条件下的突发模式(Burst Mode)操作，进而提高转换器在轻负载条件下的转换效率；5.允许多组控制参数设置、通过实时参数调度在宽范围内改善转换器瞬态响应特性。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:图1为本发明实施例的功率级电路的结构示意图；图2为本发明实施例的控制单元的结构示意图；图3为本发明实施例中的数字式反馈控制环路工作示意图；图4为本发明实施例中的数字式移相脉宽调制(PWM)输出波形图；图5为本发明实施例中的次级同步整流器死区时间设置示意图；图6为本发明实施例中实现效率优化的系统流程图。
具体实施例方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。实施例:本实施例描述了一种使用数字控制的DC/DC转换器，包括功率级电路以及控制单元两部分，如图1所示的功率级电路的初级包括由四组开关场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥逆变电路，全桥逆变电路的输入端与直流高压I相连接且输出端与高频变压器2的初级绕组相接，高频变压器2的次级绕组输出经整流滤波后与直流低压输出5连接，次级采用由两个场效应管Q5、Q6组成的同步整流器降低次级的导通损耗，控制单元的高精度脉宽调制(HRPWM)输出经驱动电路后接入所述的场效应管Ql Q6的栅极。在功率级电路的初级中设有电流变压器3，用于向控制单元提供所需的电流信号。全桥逆变电路的输出端还设有换流电感，换流电感同高频变压器2的初级绕组串联，再与源边桥臂的寄生电容形成谐振电路实现ZVS操作。如图2所示的控制单元包括微处理器、数据存储器、模数转换器(ADC)、高精度脉宽调制器(HRPWM)、控制律协处理器(CLA ) 10，DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号经缓冲电路同模数转换器相接；高精度脉宽调制器负责产生功率级开关器件Ql Q6的栅极控制信号，栅极控制信号的控制量包括精确的周期、相移和死区时间；控制律协处理器用于对电流进行快速调节，微处理器用于实现低速的输出电压控制及系统监测功；微处理器与控制律协处理器之间的通信协调通过数据存储器的共享区域完成。控制单元中还设有模拟比较器，DC/DC转换器中的模拟信号送入到模拟比较器，模拟比较器比较电压、电流、温度信号判断是否存在过压、过流和超温，并且根据判定结果通过高精度脉宽调制器实现对DC/DC转换器的功率级电路的控制，用于实现快速系统保护避免损坏DC/DC转换器硬件。DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号包括输入电压、输出电压、电流以及温度信号。DC/DC转换器控制环路的工作流程如图3所示，具体如下:在DC/DC转换器每一开关周期，输出电压首先经过取样后由12位的模数转换器(ADC)转变为数字信号，该信号同电压设定值相减得到输出电压误差项ev(t);此误差项再经过与PID等效的数字环路滤波器，从误差输入至滤波器输出的时域关系可描述为:
权利要求
1.一种使用数字控制的DC/DC转换器，包括功率级电路以及控制单元两部分，其特征在于，功率级电路的初级包括由四组开关场效应管Ql、Q2、Q3、Q4组成的全桥逆变电路，全桥逆变电路的输入端与直流高压相连接且输出端与高频变压器的初级绕组相接，高频变压器的次级绕组输出经整流滤波后与直流低压输出连接，次级采用由两个场效应管Q5、Q6组成的同步整流器降低次级的导通损耗，控制单元的高精度脉宽调制(HRPWM)输出经驱动电路后接入所述的场效应管Qf Q6的栅极。
2.根据权利要求1所述的使用数字控制的DC/DC转换器，其特征在于，在功率级电路的初级中设有电流变压器，用于向控制单元提供所需的电流信号。
3.根据权利要求1所述的使用数字控制的DC/DC转换器，其特征在于，全桥逆变电路的输出端还设有换流电感，换流电感同高频变压器的初级绕组串联，再与源边桥臂的寄生电容形成谐振电路实现ZVS操作。
4.根据权 利要求1所述的使用数字控制的DC/DC转换器，其特征在于，控制单元包括微处理器、数据存储器、模数转换器(ADC)、高精度脉宽调制器(HRPWM)、控制律协处理器(CLA)， DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号经缓冲电路同模数转换器相接； 高精度脉宽调制器负责产生功率级开关器件Qf Q6的栅极控制信号，栅极控制信号的控制量包括精确的周期、相移和死区时间； 控制律协处理器用于对电流进行快速调节，微处理器用于实现低速的输出电压控制及系统监测功； 微处理器与控制律协处理器之间的通信协调通过数据存储器的共享区域完成。
5.根据权利要求4所述的使用数字控制的DC/DC转换器，其特征在于，控制单元中还设有模拟比较器，DC/DC转换器中的模拟信号送入到模拟比较器，模拟比较器比较电压、电流、温度信号判断是否存在过压、过流和超温，并且根据判定结果通过高精度脉宽调制器实现对DC/DC转换器的功率级电路的控制，用于实现快速系统保护避免损坏DC/DC转换器硬件。
6.根据权利要求4所述的使用数字控制的DC/DC转换器，其特征在于，DC/DC转换器中的功率级电路的模拟信号包括输入电压、输出电压、电流以及温度信号。
7.一种使用数字控制的DC/DC转换器的效率优化方法，其特征在于，所述方法用于搜索最佳的延迟时间tdl和td2，tdl以Q2控制PWM的下降沿为参考，td2以Q4控制PWM的下降沿为参考，使转换器的稳态占空比最小，DC/DC转换器的控制单元的多路PWM共享同一时间基准，具体优化流程(以搜索tdl为例描述)如下: 步骤1、开始将tdl设定为一充分小的时间值以保证DC/DC转换器安全运行，保存此值作为最优值； 步骤2、等待系统达到稳态,控制器保存相应的稳态占空比； 步骤3、控制器按步长Λ tdl递增死区时间tdl ； 步骤4、算法待系统达到新的稳态，控制器获取tdl增加后的占空比并与第3步的占空比进行比较； 步骤5、如果新的稳态占空比小于或等于保存的占空比值，算法以新占空比值覆盖旧值后返回步骤3，重复步骤:Γ5;步骤6、新的稳态占空比大于保存的占空比值，算法设定递增前的tdl为最优值并结束tdl搜索； 步骤7、从可行的充分大的时间值递减搜索td2 ； 步骤8、结束。
8.根据权利要求1所述的使用数字控制的DC/DC转换器的效率优化方法，其特征在于，所述效率优化方法的执行由触发机制引起，可能的触发机制含系统上电复位、一定的转换器操作条件的变化(如输入电压、负载电流、温度变化和其它瞬态事件)。
全文摘要
本发明公开了一种使用数字控制的DC/DC转换器及其效率优化方法，DC/DC转换器包括功率级电路以及控制单元两部分，功率级电路的初级包括由四组开关场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥逆变电路，全桥逆变电路的输入端与直流高压相连接且输出端与高频变压器的初级绕组相接，高频变压器的次级绕组输出经整流滤波后与直流低压输出连接，次级采用由两个场效应管Q5、Q6组成的同步整流器降低次级的导通损耗，控制单元的高精度脉宽调制(HRPWM)输出经驱动电路后接入所述的场效应管Q1~Q6的栅极。本发明实现了DC/DC转换器的数字控制，同时自适应的同步整流器对死区时间实现优化进而达到更高的转换效率。
文档编号H02M3/335GK103138588SQ20131009591
公开日2013年6月5日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者王盛宇, 周劲松 申请人:苏州朗旭电子科技有限公司