[發明專利]使用數字控制的DC/DC轉換器及其效率優化方法

無效

• 申請號: 201310095914.6
• 申請日: 2013-03-25
• 公開（公告）號: CN103138588A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 王盛宇;周勁松
• 申請（專利權）人: 蘇州朗旭電子科技有限公司
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 范晴

技術領域

本發明涉及一種使用數字控制的DC/DC轉換器及其效率優化方法。

背景技術

作為混合動力、純電動汽車關鍵能量轉換部件之一，DC/DC轉換器的功能是將車載高壓電池組的電壓轉換為14V電源以供應常規低壓車載設備（單向降壓模式），或同時附帶14V升壓助推能力（雙向模式）。DC/DC轉換器具有多種實現方式,如豐田汽車公司的凱美瑞混合動力車早期所采用的升壓加半橋的兩級轉換電路，及更普遍的全橋移相零電壓開關電路實現。

從控制方式方面，這些DC/DC轉換器均采用模擬控制，其核心控制功能，如誤差放大器、斜坡發生器、脈寬調制器（PWM）及過壓過流保護、軟啟動等均由專門的開關電源控制集成電路完成。經過幾十年的發展，采用模擬控制的頂級規范DC/DC轉換器性能已經基本到達其頂峰。使用熟悉的傳統模擬控制驅動設計僅允許在轉換效率和功率密度指標方面做非常小的改進。

發明內容

本發明目的在于提供一種使用數字控制的DC/DC轉換器及其效率優化方法，其實現了DC/DC轉換器的數字控制，同時自適應的同步整流器對死區時間實現優化進而達到更高的轉換效率。

為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案是：

一種使用數字控制的DC/DC轉換器，包括功率級電路以及控制單元兩部分，功率級電路的初級包括由四組開關場效應管Q1、Q2、Q3、Q4組成的全橋逆變電路，全橋逆變電路的輸入端與直流高壓相連接且輸出端與高頻變壓器的初級繞組相接，高頻變壓器的次級繞組輸出經整流濾波后與直流低壓輸出連接，次級采用由兩個場效應管Q5、Q6組成的同步整流器降低次級的導通損耗，控制單元的高精度脈寬調制（HRPWM）輸出經驅動電路后接入所述的場效應管Q1～Q6的柵極。

對于上述技術方案，發明人還有進一步的優化實施方案。

作為優化，在功率級電路的初級中設有電流變壓器，用于向控制單元提供所需的電流信號。

作為優化，全橋逆變電路的輸出端還設有換流電感，換流電感同高頻變壓器的初級繞組串聯，再與源邊橋臂的寄生電容形成諧振電路實現ZVS操作。

作為優化，控制單元包括微處理器、數據存儲器、模數轉換器（ADC）、高精度脈寬調制器（HRPWM）、控制律協處理器（CLA），

DC/DC轉換器中的功率級電路的模擬信號經緩沖電路同模數轉換器相接；

高精度脈寬調制器負責產生功率級開關器件Q1～Q6的柵極控制信號，

柵極控制信號的控制量包括精確的周期、相移和死區時間；

控制律協處理器用于對電流進行快速調節，微處理器用于實現低速的輸出電壓控制及系統監測功；

微處理器與控制律協處理器之間的通信協調通過數據存儲器的共享區域完成。

作為優化，控制單元中還設有模擬比較器，DC/DC轉換器中的模擬信號送入到模擬比較器，模擬比較器比較電壓、電流、溫度信號判斷是否存在過壓、過流和超溫，并且根據判定結果通過高精度脈寬調制器實現對DC/DC轉換器的功率級電路的控制，用于實現快速系統保護避免損壞DC/DC轉換器硬件。

作為優化，DC/DC轉換器中的功率級電路的模擬信號包括輸入電壓、輸出電壓、電流以及溫度信號。

本發明還提供了一種使用數字控制的DC/DC轉換器的效率優化方法，所述方法用于搜索最佳的延遲時間t_d1和t_d2，t_d1以Q₂控制PWM的下降沿為參考，t_d2以Q₄控制PWM的下降沿為參考，使轉換器的穩態占空比最小，DC/DC轉換器的控制單元的多路PWM共享同一時間基準，具體優化流程（以搜索t_d1為例描述）如下：

步驟1、開始將t_d1設定為一充分小的時間值以保證DC/DC轉換器安全運行，保存此值作為最優值；

步驟2、等待系統達到穩態，控制器保存相應的穩態占空比；

步驟3、控制器按步長Δt_d1遞增死區時間t_d1；

步驟4、算法待系統達到新的穩態，控制器獲取t_d1增加后的占空比并與第3步的占空比進行比較；

步驟5、如果新的穩態占空比小于或等于保存的占空比值，算法以新占空比值覆蓋舊值后返回步驟3，重復步驟3～5；