车载充电机的高效辅助电源控制系统的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种车载充电机的高效辅助电源控制系统。

背景技术：

车载充电机辅助电源由于功率偏小，一般采用比较简单的反激电路拓扑结构，既可以节省成本，同时设计、生产也比较简单，整体可靠性高。但是，由于车载充电机的设计需要配合输出侧接的电池种类比较多，从而导致输出电压范围很宽，而车载充电机辅助电源输入是从车载充电机输出来的，这样就会要求辅助电源必须在很宽的输入电压条件下可靠高效的工作。

图1是传统的辅助电源及其控制方式结构简图，为电感电流断续模式的峰值电流控制方式。其控制方式经典、应用广泛、可靠性高。但是其缺点也是显而易见的，其控制的主电路整体效率偏低，特别是在输入电压较宽的情况下，由于电路效率偏低而带来的热应力问题，直接导致了电路可靠性风险，往往需要花费较高的成本代价和较大的体积空间来解决这一问题。同时，由该控制方式控制的主电路工作在固定频率，EMI性能较差，需要额外增加解决EMI的成本。

图2是小功率开关电源中一种改进行的控制方式的结构简图，该控制方式为临界电流控制模式，电感电流处于连续与断续的临界点，电路工作在准谐振状态。该控制方式相对于图1所示传统的DCM控制模式，主要优点是主电路的MOS管在每个开关周期中都能在Vds振荡波形的波谷开通，从而大大降低了MOS管的开通损耗，由此提高了电路的整体效率。同时，由于MOS管在谷底开通，大大降低了dv/dt，而此工作模式主电路开关管的工作频率是变化的，因此，大大的改善了EMI性能，降低了相应成本。但是这种控制模式也有着比较明显的缺陷，在宽的输入电压条件下工作，当输入电压较低时，工作频率会非常低，开关管峰值电流会成倍数增加。因此，MOS管导通时的电流有效值会非常高，这样会大大的增加了MOS管的导通损耗，而在此工作条件下，MOS管的导通损耗在总的损耗中占主导地位。同时，变压器也会因为电流有效值的急剧增加而使得铁芯损耗和绕组损耗相应增加。这样会给电路在低输入电压条件下工作时的电流应力和热应力带来非常大的挑战。

图3是开关电源中一种常见的控制方式结构简图，为电感电流连续控制模式。该控制方式的主要优点是电感电流以及MOS管电流的有效值相对以上两种控制方式大大降低，因此，变压器的铁芯损耗和绕组损耗，以及MOS管的导通损耗和二极管的导通损耗会大大降低。该控制方式的缺点是MOS管不能实现软开关，从而大大的增加了MOS管的开关损耗，以及二极管关断时的反向恢复损耗。同时，由于固定的开关频率，二极管严重的反向恢复，EMI性能很差。在应用于车载充电机辅助电源这样小功率宽输入电压领域，当输入电压比较高的情况下，原边电流较小，MOS管的开关损耗占主导地位的，而导通损耗比重很小，因此，整体电路的效率会偏低。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明提出了一种新型开关电源控制方案，适用于车载充电机辅助电源领域。在宽的输入电压条件下，整体电路效率大大提高，散热效果得到很好的改善，EMI性能得到进一步优化，功率密度也相应的有所提高，电路可靠性得到加强。

本发明根据输入电压的不同来改变主电路的控制策略，从而实现各输入电压条件下、各工作状态条件下主电路的核心元器件总体损耗最低，电路整体效率最高。大大降低输入低压条件下核心元器件热应力，提高整机工作可靠性。由于在输入电压较高时，增加了准谐振控制策略，开关管工作频率在一定范围内变化，dv/dt大大降低，能很好的改善整体电路EMI性能。

本发明提出一种适于车载充电机的辅助电源控制系统，包括：

外部信息采集单元，用于获取车载充电机辅助电源工作时的各状态量；

工作模式单元，包括DCM准谐振工作模式和CCM工作模式，工作模式单元可发出控制信号；

输入电压识别及控制模式选通单元，根据外部信息采集单元获得的状态量识别并选定工作模式单元中的工作模式；

开关驱动单元，根据工作模式单元中发出的控制信号来驱动辅助电源控制系统。

其中识别和选定工作单元的具体过程包括：当输入电压低于设定阈值Vin_c且大于要求的最低工作电压时，输入电压识别及控制模式选通单元给出控制信号，使能CCM工作模式，DCM准谐振工作模式在控制环中自动被屏蔽，电路工作在CCM工作模式状态；当输入电压高于设定阈值Vin_d且小于要求的最高工作电压时，输入电压识别及控制模式选通单元给出控制信号，使能DCM准谐振工作模式，CCM工作模式在控制环中自动被屏蔽，电路工作在DCM准谐振工作模式状态。

在输入电压较高的情况下，也可以不采用准谐振控制模式，而直接采用电感电流断续模式，这样会大大简化控制逻辑，实现起来更加容易，虽然会损失一部分效率，但仍然不失为一种优秀的控制策略。

附图说明

图1是传统的辅助电源工作在DCM模式下的峰值电流控制结构简图；

图2是传统的辅助电源临界电流控制结构简图；

图3是传统的辅助电源电感电流连续模式控制结构简图；

图4是根据本发明的新型车载充电机辅助电源控制策略框图；

图5是根据本发明的基于DCM和CCM混合控制的新型车载充电机辅助电源控制策略框图。

具体实施方式

如图4所示，本发明提出的一种适于车载充电机的辅助电源控制系统，包括：

外部信息采集单元，用于获取车载充电机辅助电源工作时的各状态量；

工作模式单元，包括DCM准谐振工作模式和CCM工作模式，工作模式单元可发出控制信号；

输入电压识别及控制模式选通单元，根据外部信息采集单元获得的状态量识别并选定工作模式单元中的工作模式；

开关驱动单元，根据工作模式单元中发出的控制信号来驱动辅助电源控制系统。

当输入电压较低的时候采用连续电流控制模式来控制辅助电源，当输入电压升高后采用临界电流变频率控制模式来控制辅助源。这样就平衡了变压器铁芯损耗、变压器绕组损耗、MOS管开关损耗、MOS管关断损耗以及二极管导通损耗和反向恢复损耗，从而达到提高各种输入电压条件下的效率，使电路稳定、可靠、高效的工作。

本发明所述控制策略是多种经典工作模式混合的控制方式，该所述控制策略采用数字控制的方式，通过软件代码来实现。车载充电机辅助电源工作时的获取各状态量的外部信息采集单元，输入电压识别及控制模式选通单元，工作模式单元以及开关驱动单元均由数字控制的处理器MCU来实现。MCU通过内部软件算法的运算来决定采用哪一种工作方式，让辅助电源主电路整体工作在最优状态。根据不同的应用需求及应用电路参数，确定不同的可变阈值Vin_c和Vin_d，且Vin_c<Vin_d。当输入电压低于设定阈值Vin_c且大于要求的最低工作电压时，输入电压识别及控制模式选通装置模块给出控制信号，使能CCM工作模式模块，DCM准谐振工作模式模块在控制环中自动被屏蔽，电路工作在CCM工作模式状态；当输入电压高于设定阈值Vin_d且小于要求的最高工作电压时，输入电压识别及控制模式选通装置模块给出控制信号，使能DCM准谐振工作模式模块，CCM工作模式模块在控制环中自动被屏蔽，电路工作在DCM准谐振工作模式状态。

Vin_c和Vin_d由如下算法得出：

由于工作模式的变化，开关电源各主要元器件的损耗会有相应的变化。当电路参数固定之后，根据以下关系式：

Ploss＝I²*Rdc+0.5*Coss*V²*f+D*I²*Rds

Ploss为主要器件的损耗功率；

Rdc为变压器绕组的直流电阻；

Rds为MOS管导通电阻；

Coss为MOS管输出结电容；

f为MOS管工作频率；

V为输入电压；

I为输入电流；

D为变换器工作的占空比。

计算出Ploss最小时的电压V值，即为Vin_c，也就是两种工作模式切换的阈值。Vin_d-Vin_c为回差，一般为10V，为保证车载充电机辅助电源系统不会在两种工作模式下抖动。

本发明是宽输入电压条件下辅助电源控制理论和控制方法的优化和改进，基于这一原理，可以实现的手段是多方面的。通常的形式有数字控制和模拟控制两种，本发明主要实施例是通过数字控制编写MCU内部软件的方式实现的，同时，也可以通过模拟硬件电路的手段来实现。

另外，在输入电压较高的情况下，也可以不采用准谐振控制模式，这样会大大简化控制逻辑，实现起来更加容易，虽然会损失一部分效率，但仍然不失为一种优秀的控制策略。具体实施方案如图5所示。

上述实施方式仅是示例性的示出本发明，并不企图限制本发明。另外对于没有详细描述的步骤属于本领域技术人员熟知的技术内容。对于涵盖在本发明构思内的相应的变换和更改均在本发明范围内。