一种基于单片机的低成本谐振母线变换器控制方法与流程

1.本发明涉及电源变换技术，具体涉及兼顾通信功能的供电电源谐振母线变换器控制技术，应用于通信、制导和电子对抗设备的电源系统。


背景技术：

2.随着分布式供电系统在雷达、综合射频有源阵面系统中的大规模应用，对分布式供电系统中母线变换器的功率密度、效率、性价比等提出更高的要求，并要求具备实时监控和通信功能；现有高功率密度母线变换器大多采用硬开关电路拓扑，高压输入大功率输出情况下，提高开关频率的同时大幅增加了开关损耗，降低了母线变化器的效率；并且现有母线变换器基本采用模拟芯片控制，在提高功率密度、效率的同时，需单独增加通信控制芯片实现实时监控和通信功能，增加系统复杂度；现有数字式变换器采用软件关断模式，关断程序运作时可能会出现输出端口状态瞬态不确定，并进一步扩大谐振母线变换器故障；现有母线变换器软启动模式使用pwm脉宽调节实现，不适用与于谐振母线变换器拓扑。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出一种基于单片机的低成本谐振母线变换器控制方法。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于单片机的低成本谐振母线变换器控制方法，通过数字控制单元和驱动控制单元，实现半桥谐振母线变换器控制，包括：
5.上电后，数字控制单元初始化单片机内部时钟、i/o端口和pwm信号，母线变换器进入待机状态；
6.数字控制单元接收到远程启动命令后，首先判断母线变换器自身故障状态，有故障则回到待机状态，不响应启动命令，如果没有故障，母线变换器进入软启动过程；
7.数字控制单元送出驱动器控制信号，由驱动控制单元放大控制母线变换器完成软启动；进入正常工作状态后，数字控制单元再次判断母线变换器自身故障状态，有故障，则控制谐振母线变换器进入待机状态。
8.进一步的，数字控制单元产生带有死区的高频互补脉冲，其中pwm1和pwm2互补，由驱动控制单元放大后，控制初级开关管通断，pwm3和pwm4互补，由驱动控制单元放大后，控制次级同步整流管通断。
9.进一步的，数字控制单元判断母线变换器自身故障状态，即根据输入电压v
in
、输出电压v
out
、电流i
out
和初级电流信号i
lr
，进行软件判断。
10.进一步的，软启动过程中，数字控制单元输出的pwm1、pwm2、pwm3和pwm4占空比由10％逐渐增大直至100％，开关频率f由谐振频率fr两倍降至谐振频率fr，当输出电容电压v
out
达到设定输出电压的90％时，母线变换器完成软启动状态，进入正常工作状态，数字控制单元输出频率为fr的pwm1、pwm2、pwm3和pwm4信号。
11.更进一步的，数字控制单元检测输出电容上的电压vout和初级侧电流i
lr
，协调控制开关频率f和pwm占空比的变化速度，降低初级侧开关管电流应力和输入电源的电流峰
值。
12.进一步的，进入正常工作状态后，数字控制单元再次判断母线变换器自身故障状态，有故障时，首先送出驱动控制信号关断驱动控制单元输出，关断母线变换器；然后延时关断内部pwm时钟，停止pwm1、pwm2、pwm3和pwm4信号输出，进入待机状态，等待下一个启动控制信号。
13.一种基于单片机的低成本谐振母线变换器控制系统，基于所述的谐振母线变换器控制方法，实现基于单片机的低成本谐振母线变换器控制。
14.本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)电路简单，提高母线变化器的功率密度和效率的同时，有效简化谐振母线变换器的设计、调试。2)受控软启动和故障快速保护方法，有效提高谐振母线变换器可靠性。3)由低成本的单片机实现电源控制，兼顾实时监控和通信功能，大幅降低生产成本。
附图说明
15.图1是基于单片机的低成本谐振母线变换器连接图。
16.图2是谐振母线开关管驱动信号生成和控制连接图。
17.图3是谐振母线变换器受控软启动和故障快速保护控制逻辑框图。
18.图4是谐振母线变换器软启动和故障快速保护时序关系图。
具体实施方式
19.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
20.本发明简化了谐振母线变换器的设计，通过谐振控制方法，提高母线变换器的功率密度和效率，实现高效软启动和故障快速保护，同时利用通用单片机实现实时监控和通信功能，降低硬件成本。
21.一种基于单片机的低成本谐振母线变换器，包括由开关管v1、v2组成的初级半桥101，由变压器t1、电容cr、励磁电感l
p
和漏感lr组成的谐振单元102，由整流管v
sr1
和v
sr2
组成的同步整流单元103，以及由单片机d1构成的数字控制单元104和由驱动器n1和n2组成的驱动控制单元105。谐振单元l
p
、lr和cr将初级电流i
lr
正弦化，并与初级电压v
ab
形成合适相位差，使得初级侧开关管v1、v2实现零电压开通、次级同步整流管v
sr1
、v
sr2
实现零电流关断。
22.一种基于单片机的低成本谐振母线变换器的控制方法，包括谐振高频驱动脉冲生成、谐振母线变换器的软启动和故障快速保护控制；
23.(1)谐振高频驱动脉冲生成
24.单片机d1受上位机d2远程控制产生占空比50％且带有死区的高频互补脉冲，其中初级开关管驱动脉冲pwm1和pwm2互补，次级同步整流管驱动脉冲pwm3和pwm4互补，其脉冲频率和死区时间可根据谐振母线变换器的工作状态和变换器内部谐振单元lr和cr的谐振参数调节设定，实现变换器效率最优设计。
25.(2)谐振母线变换器的软启动和故障快速保护控制
26.单片机d1加电开始后，进行内部时钟初始化、i/o端口初始化、pwm初始化，完成后
母线变换器进入待机状态。单片机d1等待上位机d2的远程启动命令。如果远程启动命令送至单片机d1，单片机d1首先判断母线变换器自身故障状态，有故障则回到待机状态，不响应启动命令，如果没有故障，母线变换器进入软启动过程。进入正常工作状态后，数字控制单元再次判断母线变换器自身故障状态，有故障，则控制谐振母线变换器进入待机状态。具体的：
27.单片机d1先送出驱动器控制信号en_p和en_s，然后送出带有死区的两路互补的pwm1、pwm2和对应的pwm3、pwm4信号，其送出的pwm占空比由10％逐渐增大直至100％，信号频率f由谐振频率2fr慢慢降至谐振频率fr检测输出电容上的电压vout和初级侧电流i
lr
，协调控制开关频率f和pwm占空比的变化速度，降低初级侧开关管电流应力和输入电源的电流峰值，控制谐振腔中电流i
lr
峰值。
28.当输出电容电压v
out
达到设定输出电压90％时，母线变换器完成软启动状态，进入正常工作状态。
29.正常工作后，单片机d1实时检测输入电压vin、输出电容上的电压vout，输出电流iout和初级侧电流i
lr
，判断电源是否出现故障；故障发生时，单片机d1先切断初级驱动控制信号en_p和同步整流驱动控制信号en_s关断驱动器n1和n2，快速切断sw1、sw2、sr1和sr2输出，迅速关断谐振腔电流i
lr
实现快速保护母线变换器，避免因为单片机d1内部关断程序运作出现的输出端口状态瞬态不确定造成的谐振母线变换器进一步故障；然后关断内部pwm产生定时器，关断pwm1、pwm2、pwm3、pwm4，进入待机状态。
30.实施例
31.为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验设计。
32.一种谐振母线变换器电路连接图如图1所示，电路中控制芯片d1可选择st公司的stm32f103c8t6芯片，其输入电压范围240v～360v，采用半桥拓扑结构，驱动器n1、n2可选择ti公司的ucc27524芯片，can总线可选择adm3053芯片；母线变换器的初次级电压比例22比3，输入电压为300v时，输出电压为42v；电路谐振单元cr选择20nf、lr选择8.6μh，变压器t1初级匝数11匝次级3匝，励磁电感120μf，漏感2.7μh，谐振母线变换器的谐振频率300khz；上位机d2经过can总线控制单片机d1启动谐振母线变换器，单片机d1送出控制信号打开驱动器n1、n2。单片机d1延时开启内部pwm定时器，单片机d1输出互补的pwm1和pwm2信号至驱动器n1，驱动器n1将驱动信号放大送至初级侧开关管v1、v2；单片机d1输出控制信号sr1、sr2至驱动器n2，驱动器将驱动信号放大送至同步整流管v
sr1
和v
sr2
。
33.谐振母线变换器受控软启动控制方法，首先单片机d1加电开始后，单片机内部时钟、i/o端口、pwm时钟初始化，完成后母线变换器进入待机状态，单片机等待上位机d2的通过can通信的远程启动命令，如果远程启动命令送至单片机d1，单片机d1判断母线变换器自身故障状态，有故障回到待机状态，不响应启动命令，如果没有故障则单片机d1送出控制信号打开驱动器n1、n2，如图4中t0时刻。单片机d1延时开启内部pwm定时器，送出带有死区的两路驱动信号，进入软启动阶段，如图4中t1时刻。单片机d1输出互补的pwm1、pwm2信号至驱动器n1，驱动器n1将驱动信号隔离放大送至初级侧开关管v1、v2。单片机d1输出驱动信号pwm3、pwm4送至驱动器n2，驱动器n2将驱动信号放大送至同步整流管v
sr1
和v
sr2
。pwm1、pwm2、pwm3和pwm4占空比由10％逐渐增大直至100％，开关频率f由谐振频率fr(变换器内部谐振
单元cr和lr固有频率)两倍慢慢降至谐振频率fr，检测输出电容上的电压vout和初级侧电流i
lr
，协调控制开关频率f和pwm占空比的变化速度，降低初级侧开关管电流应力和输入电源的电流峰值。当输出电容电压v
out
达到设定输出电压的90％时，母线变换器完成软启动状态，进入正常工作状态，单片机d1输出频率为谐振频率fr的pwm1、pwm2、pwm3和pwm4信号，如图4中t2时刻。同时输入电压v
in
、输出电压v
out
、电流i
out
和初级电流信号i
lr
由采样电路进入单片机d1，单片机d1将电压、电流信号经过模数转换，再进行软件判断是否故障，发生故障时，单片机d1首先送出驱动控制信号en_p、en_s关断驱动器n1、n2，如图4中t3时刻，快速关断母线变换器，避免因为单片机d1内部关断程序运作出现的输出端口状态瞬态不确定性造成的谐振母线变换器进一步故障，保护母线变换器不受损坏。延时关断内部pwm时钟，停止pwm1、pwm2、pwm3和pwm4信号输出，进入待机状态如图4中t4时刻。等待下一个启动控制信号，重新开始缓启动，如图4中t5时刻。
34.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
35.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。