一种可变结构与参数自整定的宽范围输出功率变换器的制作方法

本发明涉及变换器领域，特别涉及一种可变结构与参数自整定的宽范围输出功率变换器。

背景技术：

对于现有的变换器，当输入电压可调范围有限，而输出要求宽范围可调时，就会遇到有时要升压，而有时要降压的情况。传统的升降压变换器若采用脉宽调节方式，虽然能实现升降压，但是其占空比变化范围过大，导致系统的效率难以优化。而且在低压范围，由于占空比过小，难以实现精确调节。目前常见的解决办法通常有：采用脉宽调节和频率调节相结合的方式，在低压时降低开关频率，来增大调节范围；采用具有恒定导通时间，而开关频率不同的双频率控制脉冲组合的方式，使占空比不会过大或过小；在传统的降压电路前加前置调节电路，或者采用两级式调节的方式，来增大调节范围，另外随着信息技术的快速发展，电源系统数字化也成为发展趋势，以完成通信，遥测遥控，复杂控制方式或多重保护逻辑。且随着变换器开关管的增多，开关模态和调制方式的复杂，和模块串并联式重构的需求，数字控制更易于实现且实现更为优异的控制效果。

对于传统的模拟电源，若采用双频率控制，或在低压时降低开关频率来增大调节范围等方法，都改变了电路的频率，着将必然导致控制器参数难以优化，当采用多套参数时，又存在环路竞争与嵌套问题，控制难以平滑切换，并存在控制器不受控状态；若采用在传统的降压电路前加前置调节电路，或者采用级联的方式，这虽然可以提高其电压调节增益，但这将大大降低变换器效率，并增加了系统的复杂度，且当输出电压和负载电流在大范围变化时，系统存在多个稳态工作点，这将导致固定输入输出的直流变换器设计方法难以适用，给系统控制环路设计带来困难。为了保证系统全局的稳定性，一般需在稳定条件的最恶劣情况进行参数设计，如此大大限制了系统的控制带宽，影响系统的动态特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可变结构与参数自整定的宽范围输出功率变换器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可变结构与参数自整定的宽范围输出功率变换器，包括主功率电路、采样电路、驱动电路和dsp控制单模块，其特征在于：所述主功率电路还包括一个电感l1、四个开关管q1～q4，输入电容cin与输出电容cout，所述驱动电路连接有差分电路，所述驱动电路和差分电路组成vcc辅助源供电，所述主动率电路连接有信号调理电路，所述dsp输出pwm信号。

优选的，所述主功率电路设有vin和vout，vin和vout分别为输入电压和输出电压。

优选的，所述差分电路可由pwm信号输入。

优选的，所述dsp控制单模块有n个模块需要并联时，将这n路pwm信号的相位依次错开360°/n。

优选的，所述dsp控制单模块与多模块连接，各个模块的输入端并联，输出端连接矩阵选择电路。

优选的，所述dsp控制单模块统一控制矩阵选择电路，且根据输出电压改变模块间的连接结构，并使用钳位开关技术实现软开关。

本发明的技术效果和优点：采用了变结构控制，根据输出电压调整模块间的连接结构，当所需输出电压较高时，可通过模块间的输出串联显著提高输出电压，而当所需输出电压较低时，可将各模块交错并联，从而增大占空比可调范围，提高输出精度并减小纹波。变结构控制，使输出电压在更高的宽范围内连续可调，调节速率快，控制方式灵活。采用数字控制的方式，使变换器具备了参数自整定与实现其它复杂逻辑的能力，另外能够实时通信，动态改变模块数量，实现多重保护，可靠性高，效率高，成本低。相对而言，工作条件相同的情况下，其工作性能明显优于其它纯模拟系统或纯数字系统。所设计的电路拥有以下一些显著的优点，(1)变结构控制。可根据输出电压调整电路结构，使输出电压在更高的宽范围内连续可调，调节速率快，控制方式灵活，实现更宽的输出范围与更好的控制效果，提升轻载效率，(2)参数自整定。控制器参数可根据输出电压与当前稳态工作点进行自整定，避免了只用一套参数对系统特性的限制，从而提升系统的可靠性，并且能实现更优异的控制效果，(3)通过数字控制，实现功率管理、效率优化、故障保护和系统恢复等功能，是变换器具备直接监视、实时通信、处理并适应系统条件的能力，实现多重保护，(4)输入输出电流纹波低。由于采用多相并联技术，n相并联能够消除n-1次谐波，而本身系统频率也较高，所以输入和输出电流的纹波都很低，(5)采用dsp数字控制芯片，集成度高，系统的复杂性并不随功能的增加而增加过多，外围器件少，提高系统可靠性，减少了体积，(6)模块化设计。将各种功率级器件及必要的控制元件封装为一个模块，降低了研发成本，缩短产品上市周期。实际应用中，可根据实际需求选择模块数量，通过模块间的串、并联可变换出所需的大集成系统。

附图说明

图1为本发明四开关管buck-boost变换器的单模块图。

图2为本发明dsp控制单模块示意图。

图3为本发明多模块与dsp的连接关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-3所示的一种可变结构与参数自整定的宽范围输出功率变换器，包括主功率电路、采样电路、驱动电路和dsp控制单模块，主功率电路还包括一个电感l1、四个开关管q1～q4，输入电容cin与输出电容cout，驱动电路连接有差分电路，驱动电路和差分电路组成vcc辅助源供电，主动率电路连接有信号调理电路，dsp输出pwm信号。

主功率电路设有vin和vout，vin和vout分别为输入电压和输出电压，差分电路可由pwm信号输入，dsp控制单模块有n个模块需要并联时，将这n路pwm信号的相位依次错开360°/n，dsp控制单模块与多模块连接，各个模块的输入端并联，输出端连接矩阵选择电路，dsp控制单模块统一控制矩阵选择电路，且根据输出电压改变模块间的连接结构，并使用钳位开关技术实现软开关。

电路由四开关管buck-boost拓扑与电压、电流检测电路构成电压源模块，各个模块的输入端并联，而输出端根据输出电压的需要进行串联或并联。变结构控制由dsp控制矩阵选择电路实现，结构灵活，控制方便。模拟、数字部分通过差分电路进行连接并且消除共模噪声。另外，控制器参数可根据输出电压与当前稳态工作点进行自整定，从而实现更优异的控制效果。

图1为四开关管buck-boost变换器的单模块图，包括部分主功率电路、采样电路和驱动电路。图中vin和vout分别为输入、输出电压，vcc为辅助源供电。主功率电路包括一个电感l1、四个开关管q1～q4，输入电容cin与输出电容cout，相较于传统buck-boost虽然多了三个开关管，却能够实现更宽的输入电压范围，且输入与输出同极性；相较于cuk和sepic拓扑，本拓扑结构更为简单，效率更高，具有更高的功率密度。因此，四开关buck-boost拓扑更适合于宽输入电压范围、高效率、高功率密度、高可靠性的电源的应用。

图2为dsp控制单模块示意图。dsp负责给出pwm信号，检测每个模块的输出电压，并计算需要串、并联的模块数，来控制矩阵选择电路。当有n个模块需要并联时，则将这n路pwm信号的相位依次错开360°/n即可实现多路交错并联。由于移相的作用，n-1次谐波都被抵消，因而输入和输出的电流纹波都将大幅减少，使用数字芯片可实现稳定的超多相交错并联。dsp模块与功率模块使用差分电路消除共模噪声。

图3为多模块与dsp的连接关系示意图，各个模块的输入端直接并联，而输出端连接矩阵选择电路。矩阵选择电路由dsp统一控制，可以根据输出电压改变模块间的连接结构，并使用钳位开关技术实现软开关。dsp首先根据输出电压计算出需要串联的模块数a，然后其余模块平均分为a组，并将每组模块的相位依次错开360°/n实现交错并联。dsp内部可以实现参数自整定，根据宽变系统在不同稳态工作点的模型，设计出符合该条件的控制器参数，消除不同工作点对环路设计的影响，保证系统在每一个稳态工作点都有良好的稳定性与动态特性。另外，还通过数字控制，实现功率管理、效率优化、故障保护和系统恢复等功能。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。