一种可控多电平Buck变换器及其控制方法与流程

技术特征：

1.一种可控多电平Buck变换器，其特征在于：由功率部分和控制部分构成，功率部分由输入电源、p个单体模块、滤波部分及负载构成，控制部分由检测调理模块和FPGA控制器模块构成，p为整数且p≥1；

其中，每个单体模块都是一个Buck单体单元，包括功率MOSFET开关管、功率快恢复二级管和飞跨电容，功率MOSFET开关管的漏极与飞跨电容的正极相连，飞跨电容的负极与功率快恢复二级管的阳极相连；

滤波部分包括滤波电感L和滤波电容C；

输入电源的正极与单体模块p中功率MOSFET开关管Q_p的漏极相连，输入电源的负极与单体模块p中功率快恢复二极管D_p的阳极相连，同时与负载R的负极相连；单体模块1中功率MOSFET开关管Q₁的源极与滤波电感L的正极相连，功率快恢复二级管D₁的阴极同时也与滤波电感L的正极相连；单体模块k中功率MOSFET开关管Q_k的源极与单体模块k-1中功率MOSFET开关管Q_k-1的漏极以及飞跨电容C_k-1的正极相连，单体模块k中功率快恢复二极管D_k的阴极与单体模块k-1中功率快恢复二极管D_k-1的阳极以及飞跨电容C_k-1的负极相连；每个单体模块之间的连接关系与单体模块k和单体模块k-1的连接关系相同，k为整数且1<k<p；滤波电感L的负极与滤波电容C的正极以及负载R的正极相连，滤波电容C的负极与负载R的负极相连；

控制部分的检测调理模块为利用电压传感器分别检测输入电压V_in、输出电压V_o和p-1个飞跨电容电压V_c1…V_cp-1，将电压传感器采集到的各个电压信号分别经过各个调理电路后输入到各自的A/D采样芯片中，将模拟量转变成数字量后输入到FPGA控制器模块；FPGA控制器进行算法控制，输出p路PWM信号，各路PWM信号分别经过各自的驱动电路后控制各个功率MOSFET开关管的开通与关断。

2.一种用于权利要求1所述的可控多电平Buck变换器的控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：信号采集：FPGA控制器上电自检测成功后，启动A/D采样芯片检测系统，将检测的输入电压V_in、输出电压V_o以及各飞跨电容电压V_ck转换数字量输送给FPGA控制器的I/O口；

步骤2：配置工作模式：FPGA根据采集到的输入电压V_in与输出电压V_o之间的关系控制变换器的主电路工作在不同模式，具体为：

模式1：输入电压V_in为输出电压V_o的3-5倍时，配置功率部分的工作电路为四电平状态，即FPGA控制器输出的三路PWM驱动信号分别控制三个单体模块中的功率MOSFET开关管导通与关断，使其正常工作；FPGA控制器输出的其它p-3路PWM驱动信号一直是高电平使得其它单体模块中的功率MOSFET开关管处于一直导通状态；此时，四个电平分别为V_AB＝0、V_in/3、2V_in/3、V_in；

模式2：输入电压V_in为输出电压V_o的2-3倍时，配置功率部分的工作电路为三电平状态，即FPGA控制器输出的二路PWM驱动信号分别控制二个单体模块中的功率MOSFET开关管导通与关断，使其正常工作；FPGA控制器输出的其它p-2路PWM驱动信号一直是高电平使得其它单体模块中的功率MOSFET开关管处于一直导通状态；此时，三个电平分别为V_AB＝0、V_in/2、V_in；

模式3：输入电压V_in为输出电压V_o的1-2倍时，配置功率部分的工作电路为二电平状态，即FPGA控制器输出的一路PWM驱动信号控制一个单体模块中的功率MOSFET开关管导通与关断，使其正常工作；FPGA控制器输出的其它p-1路PWM驱动信号一直是高电平使得其它单体模块中的功率MOSFET开关管处于一直导通状态；此时，两个电平分别为V_AB＝0、V_in；

模式4：当输入电压V_in不足输出电压V_o的1倍时，FPGA控制器输出的PWM驱动信号一直为高电平使得所有单体模块的功率MOSFET开关管处于一直导通状态；

其他模式：当输入电压V_in为输出电压V_o的5-7倍时，配置功率部分的工作电路为五电平状态；当输入电压V_in为输出电压V_o的7-9倍时，配置功率部分的工作电路为六电平状态；当输入电压V_in为输出电压V_o的9-11倍时，配置功率部分的工作电路为七电平状态；

步骤3：计算占空比：对不同模式下正常工作的n个模块中的飞跨电容电压V_ck与飞跨电容电压给定值V_ck^*作差运算，然后进行解耦控制得到微调占空比△d_k；输出电压V_o和输出电压给定值V_o^*作差运算，然后进行PID闭环控制后得到占空比d；

△d_k与d相加得到各个功率MOSFET开关管的占空比D_k＝d+Δd_k，k＝1,2,…,n，n为整数且1≤n≤p；

步骤4：生成数字PWM波：利用数字比较器将步骤3得到的各个功率MOSFET开关管的占空比D_k与其对应的开关频率f_Y相比较来控制高低电平持续时间，即PWM波的工作频率，并由高低电平存储器保存电平的状态；所述的各个功率MOSFET开关管工作频率按进行计算，确保总输出频率固定不变，其中，p_x为电平变化前正常工作的单体模块数量，p_y为电平变化后正常工作的单体模块数量，f_x为电平变化前正常导通与关断的单个功率MOSFET开关管的工作频率，f_y为电平变化后正常导通与关断的单个功率MOSFET开关管的工作频率；

步骤5：PWM波移向：PWM波按照相位差2π/p_y进行移相。