专利名称：一种双输入Buck变换器的单周期控制电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种变换器的控制电路，尤其涉及一种双输入Buck变换器的单周期控制电路及其解耦控制方法，属于新能源供电系统中的电力变换器控制领域。
背景技术：
能源是社会发展的重要物质基础，随着全球经济的飞速发展，化石能源被大量开采利用，与此同时，化石能源消耗所造成的环境污染严重威胁着人类的生存环境。为了人类的可持续发展，人们正在致力于寻找新的替代能源。可再生能源具有储量大、可持续利用、 污染小等优点而受到广泛地关注。目前，应用较多的有光伏发电、风力发电、地热发电等，但其电力供应均存在间歇性和随机性等缺点，因此需要采用多种能源联合供电系统。在基于直流母线的可再生能源联合供电系统中，采用多输入直流变换器 (Multiple-Input DC-DC Converter,MIC)代替传统的多个单输入直流变换器，可以简化电路结构，降低系统成本。MIC是一种将多个输入源联合起来向单个负载供电的变换器，由于存在多个输入源，所以需要进行能量管理，在保证输出电压稳定的同时，实现各输入源输入功率的合理分配，因此MIC的控制系统通常包含一个输出电压环和多个电流环。其中，输出电压环用来调节输出电压，而多个电流环分别控制各个输入源的输入电流从而控制其输入功率。根据可再生能源供电状态以及负载条件的不同，控制系统通常存在多个工作模式，以实现可再生能源的优先利用。由于MIC中各个输入源共用输出滤波器等元件，当多个输入源同时向负载供电时，这些闭环之间存在相互耦合，使得闭环调节器的设计比较复杂。解耦法是设计耦合控制系统的一种有效方法。通过在控制回路中增加解耦矩阵， 将原耦合系统的传递函数矩阵化为对角阵的形式，使每一个输出只受到一个输入的作用。 解耦矩阵是该对角阵与原系统传递函数矩阵的逆的乘积，与原系统传递函数矩阵有关。由于MIC存在多个工作模式，在不同的工作模式下，系统的传递函数矩阵各不相同，因此其解耦矩阵也不相同。即使在同一个工作模式下，当输入源电压和负载变化时，传递函数矩阵的系数也会发生变化，解耦矩阵的系数需要相应调整。因此，解耦矩阵的实现是比较困难的。由于可再生能源易受环境影响，输出电压和功率波动较为频繁，因此在可再生能源联合供电系统的应用场合，更加需要提高多输入变换器的动态性能，以实现对输入扰动的抑制，为用户提供高质量的电能。因此需要寻求新的控制技术以简化这种多模式的耦合控制系统的闭环设计，并提高变换器的稳态和动态性能。
发明内容
本发明针对现有的多输入变换器控制技术存在的不足，而提出一种双输入Buck 变换器的单周期控制电路及其解耦控制方法。该单周期控制电路控制的双输入Buck变换器的结构包括第一和第二输入源、第一和第二开关管、第一和第二续流二极管、滤波电感、滤波电容、滤波电容等效串联电阻及负载，其中第一输入源的正极连接第一开关管的漏极，第二输入源的负极连接第二开关
4管的源极，第一开关管的源极分别连接第一续流二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接滤波电容等效串联电阻的一端和负载的一端，滤波电容等效串联电阻的另一端通过滤波电容分别连接第二开关管的漏极、第二续流二极管的阳极和负载的另一端，第二续流二极管的阴极分别连接第一续流二极管的阳极、第一输入源的负极和第二输入源的正极；令第一开关管与第一续流二极管的连接点为A点，令第二开关管与第二续流二极管的连接点为B点；该单周期控制电路包括第一、第二单周期控制器以及模式切换电路，其中第一单周期控制器包括第一反向器、第一反向积分器、第一复位开关、第一比较器和第一 RS触发器，第一输入源的输入电流采样依次通过第一反向器、第一反向积分器后连入第一比较器的同相端，第一比较器的反相端接入输入电流基准，第一比较器的输出连入第一 RS触发器的R端，第一 RS触发器的S端接入第一时钟，第一复位开关并联在第一反向积分器上，第一RS触发器的。端的输出作为第一复位开关的控制信号；第二单周期控制器包括第二反向器、第二反向积分器、第二复位开关、第二比较器、第二 RS触发器和输出电压调节器，AB两点间电压采样依次通过第二反向器、第二反向积分器后连入第二比较器的同相端，将输出电压采样和输出电压基准通过输出电压调节器得到的AB两点间电压基准连入第二比较器的反相端，第二复位开关并联在第二反向积分器上，第二比较器的输出作为第二复位开关的控制信号并连入第二 RS触发器的R端，第二 RS触发器的S端接入第二时钟；模式切换电路包括迟滞比较器和模拟选通开关，模拟选通开关的AX通道接入第一 RS触发器的Q端的输出，模拟选通开关的AY和BX通道接入第二 RS触发器的Q端的输出，模拟选通开关的BY 通道接地，迟滞比较器的输入连接输出电压调节器的输出，迟滞比较器输出模式切换使能信号到模拟选通开关的使能端，模拟选通开关输出第一和第二开关管的驱动信号。上述单周期控制电路的控制方法包括第一单周期控制器控制方法、第二单周期控制器控制方法及模式切换电路控制方法，具体内容如下(1)第一单周期控制器控制方法在第一时钟的上升沿开通第一开关管，第一输入源的输入电流采样依次通过第一反向器、第一反向积分器后得到电流积分量，当电流积分量达到输入电流基准时，第一比较器的输出变为高电平，使第一 RS触发器复位，第一 RS触发器的Q端输出低电平，关断第一开关管，同时第一 RS触发器的。端输出高电平，使第一复位开关闭合，将电流积分量复位为 0，直至下一个时钟脉冲的到来；(2)第二单周期控制器控制方法在第二时钟的上升沿开通第二开关管，AB两点间电压采样依次通过第二反向器、 第二反向积分器后得到电压积分量，输出电压采样和输出电压基准通过输出电压调节器得到AB两点间电压基准，当电压积分量达到AB两点间电压基准时，第二比较器的输出变为高电平，使第二 RS触发器复位，第二 RS触发器的Q端输出低电平，关断第二开关管，同时第二比较器的输出使第二复位开关闭合，第二反向积分器中的积分电容电压复位，在该积分电容电压复位时，电压积分量低于AB两点间电压基准，第二比较器的输出马上跳回低电平， 第二反向积分器开始下一开关周期的积分；(3)模式切换电路控制方法
工作模式I 当迟滞比较器输出的模式切换使能信号为低电平时，第一开关管由第一单周期控制器控制，第二开关管由第二单周期控制器控制；工作模式II 当迟滞比较器输出的模式切换使能信号为高电平时，第一开关管由第二单周期控制器控制，第二开关管的驱动信号为低电平，即第二开关管关断。所述第一单周期控制器控制方法与第二单周期控制器控制方法同时进行。技术效果1)闭环的动态响应快，能够在单个周期内抑制输入电压和负载的扰动。2)消除了两个环路之间的相互耦合，而且不需要电流调节器；由于输出电压环在两个工作模式下的设计条件相同，故大大简化了输出电压调节器的设计。3)使变换器能够根据可再生能源的最大输出功率和负载功率的关系，在相应的工作模式之间平滑切换。4)采用改进的双沿调制单周期控制器可以大大减小电感电流纹波，进一步提高变换器的动态响应和功率密度。
图1为双输入Buck变换器的电路原理图。图2为本发明单周期控制电路的结构原理图。图3为本发明中两个单周期控制器的主要波形图，图中(a)为dyl < dy2时的波形图；(b)为dyl>dy2时的波形图。图4为迟滞比较器的传输特性图。图5为本发明模式切换的主要波形图。图6为驱动信号相位差与电感电流脉动的关系图。图7为交错双沿调制方式的主要波形图。图8为单周期控制的前沿调制工作波形图。图9为改进的双沿调制单周期控制电路的结构原理图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明所控制的双输入Buck变换器的电路结构如图1所示，包括第一和第二输入源Vinl、Vin2、第一和第二开关管Qi、Gl2、第一和第二续流二极管Di、D2、滤波电感Lf、滤波电容 Cf、滤波电容等效串联电阻1^及负载Ru，其中第一输入源Vinl的正极连接第一开关管％ 的漏极，第二输入源Vin2的负极连接第二开关管％的源极，第一开关管％的源极分别连接第一续流二极管D1的阴极和滤波电感Lf的一端，滤波电感Lf的另一端分别连接滤波电容等效串联电阻Rcf的一端和负载的一端，滤波电容等效串联电阻Rcf的另一端通过滤波电容Cf分别连接第二开关管％的漏极、第二续流二极管A的阳极和负载的另一端，第二续流二极管A的阴极分别连接第一续流二极管D1的阳极、第一输入源Vinl的负极和第二输入源Vin2的正极。为方便说明，我们令第一开关管A与第一续流二极管D1的连接点为A 点，令第二开关管A与第二续流二极管A的连接点为B点。由图1可知，双输入Buck变换器存在两个输入源，因此需要进行能量管理，在保证
6输出电压稳定的同时，合理分配两个输入源的输入功率。实际上，对于两个输入源而言，通过控制其中一个的输入功率即可实现两个输入源的功率分配。因此本发明以控制第一输入源Vinl的输入功率为例，同时让第二输入源Vin2稳定输出电压，从而提供负载所需的剩余功率。本发明单周期控制电路的结构如图2所示，包括第一、第二单周期控制器以及模式切换电路，第一单周期控制器控制第一输入源Vinl的输入电流iinl，第二单周期控制器控制AB两点间电压vAB，其中第一单周期控制器包括第一反向器、第一反向积分器、第一复位开关、第一比较器和第一 RS触发器，第一输入源Vinl的输入电流采样iinl f依次通过第一反向器、第一反向积分器后连入第一比较器的同相端，第一比较器的反相端接入输入电流基准iref，第一比较器的输出v。。mpl连入第一 RS触发器的R端，第一 RS触发器的S端接入第一时钟Clock1,第一复位开关Sri并联在第一反向积分器上，第一 RS触发器的Q端的输出作为第一复位开关Sri的控制信号；第二单周期控制器包括第二反向器、第二反向积分器、第二复位开关Srt、第二比较器、第二 RS触发器和输出电压调节器，AB两点间电压采样Vab f依次通过第二反向器、第二反向积分器后连入第二比较器的同相端，将输出电压采样ν。—f和输出电压基准ν。通过输出电压调节器得到的AB两点间电压基准Vref连入第二比较器的反相端，第二复位开关、并联在第二反向积分器上，第二比较器的输出v。。mp2作为第二复位开关、的控制信号并连入第二 RS触发器的R端，第二 RS触发器的S端接入第二时钟ClocIc2 ； 模式切换电路包括迟滞比较器和模拟选通开关，模拟选通开关的AX通道接入第一 RS触发器的Q端的输出，模拟选通开关的AY和BX通道接入第二 RS触发器的Q端的输出，模拟选通开关的BY通道接地，迟滞比较器的输入端接入输出电压调节器输出的AB两点间电压基准 Vref，迟滞比较器输出模式切换使能信号EN到模拟选通开关的使能端，模拟选通开关输出第一和第二开关管Q^ %的驱动信号Qu^ A—d 。第一和第二单周期控制器同时进行单周期控制，下面对本发明的控制原理作详细说明。(1)在第一单周期控制器中反向器对第一输入源Vinl的输入电流采样iinl f进行反向，以使反向积分器的输出为正向的积分电压，然后与输入电流基准比较。图3给出了单周期控制的主要波形。在时钟信号Clock1的上升沿开通仏，同时开始对输入电流iinl进行积分。在A导通时，iinl等于滤波电感电流I因此电流积分量iint 为
权利要求
1.一种双输入Buck变换器的单周期控制电路，该单周期控制电路控制的双输入Buck 变换器的结构包括第一和第二输入源(vinl、vin2)、第一和第二开关管0^、％)、第一和第二续流二极管(DpD2)、滤波电感(Lf)、滤波电容(Cf)、滤波电容等效串联电阻(Rcf)及负载(Ru)， 其中第一输入源(Vinl)的正极连接第一开关管Oi1)的漏极，第二输入源(Vin2)的负极连接第二开关管( )的源极，第一开关管Oi1)的源极分别连接第一续流二极管(D1)的阴极和滤波电感(Lf)的一端，滤波电感(Lf)的另一端分别连接滤波电容等效串联电阻(Rcf)的一端和负载(RJ的一端，滤波电容等效串联电阻(Rra)的另一端通过滤波电容(Cf)分别连接第二开关管(Q2)的漏极、第二续流二极管(D2)的阳极和负载(Ru)的另一端，第二续流二极管(D2)的阴极分别连接第一续流二极管(D1)的阳极、第一输入源(Vinl)的负极和第二输入源(Vin2)的正极；令第一开关管Oi1)与第一续流二极管(D1)的连接点为A点，令第二开关管( )与第二续流二极管(D2)的连接点为B点；其特征在于该单周期控制电路包括第一、第二单周期控制器以及模式切换电路，其中第一单周期控制器包括第一反向器、第一反向积分器、第一复位开关( )、第一比较器和第一 RS触发器，第一输入源(Vinl)的输入电流采样(iinl f)依次通过第一反向器、第一反向积分器后连入第一比较器的同相端，第一比较器的反相端接入输入电流基准(iMf)，第一比较器的输出(v。。mpl)连入第一 RS触发器的R端，第一 RS触发器的S端接入第一时钟 (Clock1),第一复位开关(Sri)并联在第一反向积分器上，第一 RS触发器的Q端的输出作为第一复位开关(Sri)的控制信号；第二单周期控制器包括第二反向器、第二反向积分器、第二复位开关(SJ、第二比较器、第二 RS触发器和输出电压调节器，AB两点间电压采样(Vab f)依次通过第二反向器、第二反向积分器后连入第二比较器的同相端，将输出电压采样(ν。— f)和输出电压基准(ν。—通过输出电压调节器得到的AB两点间电压基准(Vref)连入第二比较器的反相端，第二复位开关(SJ并联在第二反向积分器上，第二比较器的输出(v。。mp2) 作为第二复位开关(S,2)的控制信号并连入第二 RS触发器的R端，第二 RS触发器的S端接入第二时钟(Clocig ；模式切换电路包括迟滞比较器和模拟选通开关，模拟选通开关的AX 通道接入第一 RS触发器的Q端的输出，模拟选通开关的AY和BX通道接入第二 RS触发器的Q端的输出，模拟选通开关的BY通道接地，迟滞比较器的输入连接输出电压调节器的输出，迟滞比较器输出模式切换使能信号(EN)到模拟选通开关的使能端，模拟选通开关输出第一和第二开关管0^ )的驱动信号Oi1-d 、％—dJ。
2.一种基于权利要求1所述的双输入Buck变换器的单周期控制电路的控制方法，其特征在于该控制方法包括第一单周期控制器控制方法、第二单周期控制器控制方法及模式切换电路控制方法，具体内容如下(1)第一单周期控制器控制方法在第一时钟(Clock1)的上升沿开通第一开关管Oi1)，第一输入源(Vinl)的输入电流采样(iinl—f)依次通过第一反向器、第一反向积分器后得到电流积分量(iint)，当电流积分量 (iint)达到输入电流基准(iref)时，第一比较器的输出(v。。mpl)变为高电平，使第一 RS触发器复位，第一 RS触发器的Q端输出低电平，关断第一开关管Oi1)，同时第一 RS触发器的Q 端输出高电平，使第一复位开关(Sri)闭合，将电流积分量(iint)复位为0，直至下一个时钟脉冲的到来；(2)第二单周期控制器控制方法在第二时钟(Clocig的上升沿开通第二开关管(Q2), AB两点间电压采样(Viffi f)依次通过第二反向器、第二反向积分器后得到电压积分量(vint)，输出电压采样(ν。—f)和输出电压基准(ν。—通过输出电压调节器得到AB两点间电压基准(vref)，当电压积分量(Vint)达到AB两点间电压基准(ν,』时，第二比较器的输出(v。。mp2)变为高电平，使第二RS触发器复位，第二RS触发器的Q端输出低电平，关断第二开关管(Q2),同时第二比较器的输出(v。。mp2) 使第二复位开关(SJ闭合，第二反向积分器中的积分电容电压复位，在该积分电容电压复位时，电压积分量(Vint)低于AB两点间电压基准(v,rf)，第二比较器的输出(v。。mp2)马上跳回低电平，第二反向积分器开始下一开关周期的积分；(3)模式切换电路控制方法工作模式I 当迟滞比较器输出的模式切换使能信号(EN)为低电平时，第一开关管 (Q1)由第一单周期控制器控制，第二开关管( )由第二单周期控制器控制；工作模式II 当迟滞比较器输出的模式切换使能信号(EN)为高电平时，第一开关管 (Q1)由第二单周期控制器控制，第二开关管(Q2)的驱动信号(Q2—dJ为低电平，即第二开关管(Q2)关断。
3.根据权利要求2所述的双输入Buck变换器的单周期控制电路的控制方法，其特征在于所述第一单周期控制器控制方法与第二单周期控制器控制方法同时进行。
全文摘要
本发明公开了一种双输入Buck变换器的单周期控制电路及其控制方法，属于电力变换器控制领域。该控制电路包括第一、第二单周期控制器以及模式切换电路，第一单周期控制器对第一输入源的输入电流进行采样控制，第二单周期控制器对变换器中串接的续流二极管两端的电压进行采样控制，两个单周期控制器均包括反向器、反向积分器、比较器、复位开关和RS触发器，第二单周期控制器还包括输出电压调节器，模式切换电路由迟滞比较器和模拟选通开关构成。本发明能够在一个开关周期内使受控量的平均值跟踪基准值，从而能够在单个周期内抑制输入电压和负载的扰动，使变换器在相应工作模式间平滑切换。
文档编号H02M3/157GK102185479SQ20111014237
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者杨东升, 杨敏, 阮新波 申请人:南京航空航天大学