基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元专利检索-开关电气元件和设备专利检索查询-专利查询网

基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元

阅读：940发布：2021-06-06

专利汇可以提供基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于分布式纹波自消除电路的模块化DC‑DC变换器控制单元，其省去了传统并联DC‑DC变换器交错并联技术使用的同步光纤线缆，节约成本，同时减小输出电压纹波，以减小输入滤波器和输出电容大小，并提高电容使用寿命。在DC‑DC变换器的即插即用场景中，与传统的集中式DC‑DC变换器不同，由于反馈环节的存在，本发明分布式纹波自消除电路的移相角不由系统的DC‑DC变换器个数决定，因此比起集中式DC‑DC变换器具有显著的优势。，下面是基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元，所述模块化DC-DC变换器由多个DC-DC变换模块并联组成，每个DC-DC变换模块对应由一个控制单元所控制，其特征在于：所述控制单元包括分布式纹波自消除电路、功率环信号采样与调理电路、占空比数字控制器以及功率驱动电路；所述分布式纹波自消除电路包括：
功率耦合电路，用于通过磁耦合感应DC-DC变换模块自身的输出电压纹波；
信号采样与调理电路，用于采集DC-DC变换模块自身的输出电压纹波以及DC-DC变换器的总输出电压纹波，从而得到总输出电压纹波与模块自身输出电压纹波的瞬时差值信号；
相位检测电路，用于检测所述瞬时差值信号的相位信息，其包括正弦分量和余弦分量；
相位数字控制器，根据所述相位信息计算生成DC-DC变换模块驱动信号的移相角；
所述功率环信号采样与调理电路用于采集DC-DC变换模块的输出电压和输出电流并进行调理整形；
所述占空比数字控制器以输出电压环作为外环，输出电流环作为内环，根据调理整形后的输出电压和输出电流，通过PI补偿控制算法生成DC-DC变换模块驱动信号的占空比；
所述功率驱动电路根据移相角和占空比生成相应PWM信号以驱动DC-DC变换模块中的功率开关器件。
2.根据权利要求1所述的模块化DC-DC变换器控制单元，其特征在于：所述功率耦合电路由电感l和电容c并联组成，所述电感l与DC-DC变换模块中的输出电感耦合，电容c两端的电压即为DC-DC变换模块自身的输出电压纹波，电感l的电感值Lx和电容c的容值Cx满足以下关系式；
其中：L为DC-DC变换模块中输出电感的电感值，Cout为DC-DC变换模块中输出电容的容值。
3.根据权利要求1所述的模块化DC-DC变换器控制单元，其特征在于：所述信号采样与调理电路包括三个结构相同的信号采样调理模块A、B、C以及电容C和电阻R，信号采样调理模块A的输入侧接DC-DC变换模块自身的输出电压纹波，信号采样调理模块B的输入侧接DC-DC变换器的总输出电压纹波，信号采样调理模块A和B的输出端分别与信号采样调理模块C的差分负输入端和差分正输入端相连，信号采样调理模块C的输出端与电容C的一端相连，电容C的另一端与电阻R的一端相连并输出瞬时差值信号，电阻R的另一端接0.5Vref，Vref为参考电压。
4.根据权利要求3所述的模块化DC-DC变换器控制单元，其特征在于：所述信号采样调理模块A、B或C包括五个电阻R1～R5、两个电容C1～C2和一个运算放大器，其中：电阻R1的一端为信号采样调理模块的差分正输入端，电阻R1的另一端与电阻R2的一端、电容C1的一端、电阻R3的一端以及运算放大器的同相输入端相连，电阻R2的另一端与电容C1的另一端相连并接地，电阻R3的另一端接Vref，电阻R4的一端为信号采样调理模块的差分负输入端，电阻R4的另一端与电阻R5的一端、电容C2的一端以及运算放大器的反相输入端相连，电阻R5的另一端与电容C2的另一端以及运算放大器的输出端相连并作为信号采样调理模块的输出端。
5.根据权利要求1所述的模块化DC-DC变换器控制单元，其特征在于：所述相位检测电路包括结构相同的两路分支，分别输出瞬时差值信号的正弦相位分量和余弦相位分量，每路分支由电压跟随器、模拟开关电路以及低通滤波器依次连接组成，所述电压跟随器选用运算放大器用以阻抗转换，运算放大器的同相输入端接瞬时差值信号，运算放大器的反相输入端与运算放大器的输出端以及模拟开关电路的第一输入端相连，模拟开关电路的第二输入端接收方波信号，模拟开关电路的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端产生瞬时差值信号的正弦相位分量或余弦相位分量。
6.根据权利要求5所述的模块化DC-DC变换器控制单元，其特征在于：对于输出余弦相位分量的分支，其中模拟开关电路接收的方波信号S1以及输出信号A1的表达式如下：
对于输出正弦相位分量的分支，其中模拟开关电路接收的方波信号S2以及输出信号A2的表达式如下：
其中：m为方波信号的谐波次数，fs为DC-DC变换器的开关频率，a1为瞬时差值信号的峰值，θ1为瞬时差值信号与DC-DC变换模块自身输出电压纹波的相位差，t为时刻。
7.根据权利要求1所述的模块化DC-DC变换器控制单元，其特征在于：所述相位数字控制器通过对瞬时差值信号的正弦相位分量和余弦相位分量进行采样及模数转换，进而采用Bang-Bang控制算法或模糊PID控制算法计算生成DC-DC变换模块驱动信号的移相角。

说明书全文

基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元。

背景技术

[0002] 在工业实际应用中，考虑到功率等级、系统维护、可靠性等客观因素，常常采用多台参数、制造工艺相同的模块化DC-DC变换器在其输入、输出端口分别并联。模块化的思想在电力电子领域的许多子领域已有不少研究，在光伏系统领域中，将微型逆变器与光伏板集成为微型逆变器模块，便于安装和维护；进一步地，为每个微型逆变器模块配备光伏优化器，如公开号为CN104065336A的中国专利提出了一种集成数据通信功能的光伏优化器，该光伏优化器采用功率/数据双调制策略控制的DC/DC变换器，可在不改变传统光伏优化器功率电路拓扑的前提下，通过在传统功率调节环节叠加通信信号载波，将数据调制注入光伏系统直流母线，提高了系统运行的效率。在电池管理系统领域中，公开号为CN109037801A的中国专利提出了一种集成了信息采集、数据通信、电能均衡功能的锂电池管理系统，实现了单体电池控制器的模块化。模块化的设备不但便于集成，降低了生产成本，也利于维护和检修，提高了系统应对故障的能力。

[0003] 交错并联技术常应用于该类并联变换器中，用于减小输出电压纹波，以减小输入滤波器和输出电容大小并提高电容使用寿命。应用交错并联技术的N台变换器，具有一致的开关频率，各变换器之间的相移设为2π/N，此时系统总的输入和输出电流纹波最小，输出电容纹波理想情况下为0。

[0004] DC-DC变换器一般分为非隔离型和隔离型两大类，非隔离型变换器代表性拓扑如反激式变换器、正激式变换器等，隔离型变换器代表性拓扑如Buck变换器和Boost变换器。以Buck变换器为例，其结构如图2所示，开关管Q1与Q2互补工作，L为输出电感，Cout为输出电容，Buck变换器的控制方法可采用输出电压外环输出电流内环的双环控制或是输出电压单环控制。

[0005] 模块化DC-DC变换器按照其控制方法进行分类，可进一步分为集中式DC-DC变换器和分布式DC-DC变换器。N台分布式DC-DC变换器一般仅有一个主控制器和N-1个从控制器，系统的工作时序由主控制器控制，主控制器与从控制器之间依靠光纤线缆实现同步和交错并联，成本较高；N台集中式DC-DC变换器仅有一个总控制器，所有变换器的时序均由总控制器控制，由于控制电路仅有一套，存在抗故障能力差，可扩展性差等缺点，也不适用于DC-DC变换器的即插即用场合。

发明内容

[0006] 鉴于上述，本发明提供了一种基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元，省去了传统并联DC-DC变换器交错并联技术使用的同步光纤线缆，节约成本，同时减小输出电压纹波，以减小输入滤波器和输出电容大小，并提高电容使用寿命。

[0007] 一种基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元，包括分布式纹波自消除电路、功率环信号采样与调理电路、占空比数字控制器以及功率驱动电路；所述分布式纹波自消除电路包括：

[0008] 功率耦合电路，用于通过磁耦合感应本DC-DC变换模块自身的输出电压纹波；

[0009] 信号采样与调理电路，用于采集本DC-DC变换模块自身的输出电压纹波以及DC-DC变换器的总输出电压纹波，从而得到总输出电压纹波与模块自身输出电压纹波的瞬时差值信号；所述DC-DC变换器由多个DC-DC变换模块并联组成；

[0010] 相位检测电路，用于检测所述瞬时差值信号的相位信息，其包括正弦分量和余弦分量；

[0011] 相位数字控制器，根据所述相位信息计算生成本DC-DC变换模块驱动信号的移相角；

[0012] 所述功率环信号采样与调理电路用于采集本DC-DC变换模块的输出电压和输出电流并进行调理整形；

[0013] 所述占空比数字控制器以输出电压环作为外环，输出电流环作为内环，根据调理整形后的输出电压和输出电流，通过PI(比例-积分)补偿控制算法生成本DC-DC变换模块驱动信号的占空比；

[0014] 所述功率驱动电路根据移相角和占空比生成相应PWM信号以驱动本DC-DC变换模块中的功率开关器件。

[0015] 进一步地，所述功率耦合电路由电感l和电容c并联组成，所述电感l与本DC-DC变换模块中的输出电感耦合，电容c两端的电压即为本DC-DC变换模块自身的输出电压纹波，电感l的电感值Lx和电容c的容值Cx满足以下关系式；

[0016]

[0017] 其中：L为本DC-DC变换模块中输出电感的电感值，Cout为本DC-DC变换模块中输出电容的容值。

[0018] 进一步地，所述信号采样与调理电路包括三个结构相同的信号采样调理模块A、B、C以及电容C和电阻R，信号采样调理模块A的输入侧接本DC-DC变换模块自身的输出电压纹波，信号采样调理模块B的输入侧接DC-DC变换器的总输出电压纹波，信号采样调理模块A和B的输出端分别与信号采样调理模块C的差分负输入端和差分正输入端相连，信号采样调理模块C的输出端与电容C的一端相连，电容C的另一端与电阻R的一端相连并输出瞬时差值信号，电阻R的另一端接0.5Vref，Vref为参考电压。

[0019] 进一步地，所述信号采样调理模块A、B或C包括五个电阻R1～R5、两个电容C1～C2和一个运算放大器，其中：电阻R1的一端为信号采样调理模块的差分正输入端，电阻R1的另一端与电阻R2的一端、电容C1的一端、电阻R3的一端以及运算放大器的同相输入端相连，电阻R2的另一端与电容C1的另一端相连并接地，电阻R3的另一端接Vref，电阻R4的一端为信号采样调理模块的差分负输入端，电阻R4的另一端与电阻R5的一端、电容C2的一端以及运算放大器的反相输入端相连，电阻R5的另一端与电容C2的另一端以及运算放大器的输出端相连并作为信号采样调理模块的输出端。

[0020] 进一步地，所述相位检测电路包括结构相同的两路分支，分别输出瞬时差值信号的正弦相位分量和余弦相位分量，每路分支由电压跟随器、模拟开关电路以及低通滤波器依次连接组成，所述电压跟随器选用运算放大器用以阻抗转换，运算放大器的同相输入端接瞬时差值信号，运算放大器的反相输入端与运算放大器的输出端以及模拟开关电路的第一输入端相连，模拟开关电路的第二输入端接收方波信号，模拟开关电路的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端瞬时差值信号的正弦相位分量或余弦相位分量。

[0021] 进一步地，对于输出余弦相位分量的分支，其中模拟开关电路接收的方波信号S1以及输出信号A1的表达式如下：

[0022]

[0023]

[0024] 对于输出正弦相位分量的分支，其中模拟开关电路接收的方波信号S2以及输出信号A2的表达式如下：

[0025]

[0026]

[0027] 其中：m为方波信号的谐波次数，fs为DC-DC变换器的开关频率，a1为瞬时差值信号的峰值，θ1为瞬时差值信号与本DC-DC变换模块自身输出电压纹波的相位差，t为时刻。

[0028] 进一步地，所述相位数字控制器通过对瞬时差值信号的正弦相位分量和余弦相位分量进行采样及模数转换，进而采用Bang-Bang控制算法或模糊PID(比例-积分-微分)控制算法计算生成本DC-DC变换模块驱动信号的移相角。

[0029] 基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

[0030] (1)本发明省去了传统的并联DC-DC变换器交错并联技术使用的同步光纤线缆，节约成本。

[0031] (2)本发明能够减小输出直流电压纹波，提高电能质量。

[0032] (3)本发明能够减小输入滤波器和输出电容大小，并提高电容使用寿命。

[0033] (4)由于其自适应性，本发明能够应用于DC-DC变换器即插即用场景中。附图说明

[0034] 图1为本发明模块化DC-DC变换器控制单元的结构示意图。

[0035] 图2为Buck型DC-DC变换器的结构示意图。

[0036] 图3为信号采样与调理电路的结构示意图。

[0037] 图4为信号采样调理模块的具体结构示意图。

[0038] 图5为相位检测电路的结构示意图。

[0039] 图6为功率信号复合调制过程中各信号的波形示意图。

具体实施方式

[0040] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图从具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

[0041] 如图1所示，本发明基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元，包括分布式纹波自消除电路、功率环信号采样与调理电路、占空比数字控制器以及功率驱动电路；分布式纹波自消除电路包括：功率耦合电路，用于感应本DC-DC变换器模块的自身输出电压纹波；相位信号采样与调理电路，用于采集本DC-DC变换器的自身输出电压纹波和并联DC-DC变换器的总输出电压纹波，并得到总输出电压纹波和自身输出电压纹波的瞬时差值；相位检测电路，用于检测瞬时差值的相位信息；相位数字控制器，根据相位信息计算生成自身DC-DC变换器驱动信号的移相角。

[0042] 本实施例中采用的单台DC-DC变换器拓扑为Buck型DC-DC变换器，如图2所示，功率耦合电路的耦合电感Lx与Buck型DC-DC变换器的功率电感L存在耦合关系，由电路原理和公式(1)、(2)、(3)和(4)，令uCx和uCout相等，则可推出公式(5)。因此，设计耦合电感Lx和电容Cx，功率电感L和电容Cout的数值，使其乘积满足公式(5)，通过采集功率耦合电路的电容Cx上的电压，便可以得到本DC-DC变换器自身输出电容纹波的瞬时值。

[0043]

[0044]

[0045]

[0046]

[0047]

[0048] 其中：NL和NLx分别为功率电感L和耦合电感Lx的匝数。

[0049] 本实施方式中采用的相位检测信号采样与调理电路的结构如图3所示，其中模块A,B,C的具体电路结构如图4所示。本DC-DC变换器自身输出电容纹波的瞬时值经过A后变为信号vself1，总输出电容纹波的瞬时值经过B后变为信号vtotal1，根据运放“虚短”、“虚断”原理，只考虑小信号，有：

[0050]

[0051] 取电阻、电容的值满足式：

[0052] R1＝R4＝R5＝R,R2＝R3＝2R,C1＝C2＝C (7)

[0053] 可以化简得到：

[0054]

[0055] 同理可得，vtotal1表达式为：

[0056]

[0057] vtotal1和vself1经过模块C，变为：

[0058] vother1＝vtotal1-vself1 (10)

[0059] 本实施例中相位检测电路具体结构如图5所示，由2个电压跟随器电路、2个模拟开关电路和2个有源低通滤波器构成。本实施例中采用的模拟开关电路芯片型号为TSSA23159。

[0060] 信号vother1分为两路，其中一路经过电压跟随器1后数值保持不变，输入模拟开关电路1的输入端：

[0061] vother1＝a1 sin(2πfst+θ1) (11)

[0062] 其中：fs为系统的开关频率，a1为总输出纹波和自身输出纹波差值的峰值，θ1为vother1和自身输出纹波的相位差，θ1∈(-π，π]。模拟开关电路1的控制端输入为一方波S1，由数字控制器发出，频率为fs，与自身输出纹波的相位差设为π，将其进行傅里叶分解可得：

[0063]

[0064] 由三角函数的正交性，模拟开关电路1的输出波形A1的函数表达式为：

[0065]

[0066] 经过低通滤波器1后的输出波形B1的函数表达式为：

[0067]

[0068] 信号vother1的另一路经过电压跟随器2后数值保持不变，输入模拟开关电路2的输入端，模拟开关电路2的控制端输入为一方波S2，由数字控制器发出，频率为fs，与自身输出纹波的相位差设为-π。

[0069]

[0070] 由三角函数的正交性，模拟开关电路2的输出波形A2的函数表达式为：

[0071]

[0072] 经过低通滤波器2后的输出波形B2的函数表达式为：

[0073]

[0074] 输出信号B1和B2输入相位数字控制器中，相位数字控制器的采样信号处理模块，对瞬时差值的正弦与余弦分量等相位信息进行采样和模数转换。相位补偿计算模块根据转换结果采用补偿控制算法进行计算，生成自身DC-DC变换器驱动信号的移相角。

[0075] 本实施例中采用的补偿环节为比例-积分环节，当反馈环节的反馈条件设为B1＝B2时，易得：θ1＝π。这表明：当系统达到稳态且满足反馈条件时，其他N-1台DC-DC变换器的合成纹波的相位与本台DC-DC变换器自身输出纹波的相位差为π；当系统内的N台变换器分布式纹波自消除电路都工作于这样的状态时，也就实现了总输出纹波幅值的最小化。

[0076] 为了更好地说明本发明电路，图6展示了在一个由3台DC-DC变换器并联的系统达到稳态时，各个关键节点的信号波形，可以看出此时3台DC-DC变换器驱动信号的相位差均为2/3π。

[0077] 上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例作出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

标题	发布/更新时间	阅读量
光传感器、基于飞行时间的测距系统和电子装置	2020-05-08	497
一种智能LED灯调光系统	2020-05-08	588
一种LED工作状态记录及开关调光连接器	2020-05-08	192
一种车载接入单元的通用用户身份识别卡的切换方法	2020-05-08	298
一种光线传感器控制方法、装置及终端	2020-05-08	120
DAC版图结构和电阻分压式DAC	2020-05-08	305
一种可编程调幅信号发生系统	2020-05-11	821
一种不间断电源及其电池组升降压电路	2020-05-11	56
有机发光显示装置	2020-05-08	127
一种多功能智能耳机	2020-05-08	119

基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元

基于分布式纹波自消除电路的模块化DC-DC变换器控制单元

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：