[發明專利]采用電壓比例微分滯環技術的DC-DC降壓轉換系統

有效

• 申請號: 201811273498.3
• 申請日: 2018-10-30
• 公開（公告）號: CN109217672B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 沈子千;鐘順
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M1/14
• 代理公司: 天津市三利專利商標代理有限公司 12107
• 代理人: 仝林葉

本發明涉及一種采用電壓比例微分滯環技術的DC?DC降壓轉換系統。本發明由1組同步整流Buck電路、1組電壓比例微分(PD)滯環控制器和1組柵極驅動器組成。本發明可適應任意適當的輸入與輸出電壓，可以在一定范圍內設定穩態下控制器的工作頻率范圍和穩態輸出電壓的紋波系數。本發明支持單相輸出電路輸出極大的低壓電流，并擁有極佳的動態響應能力，適用于為超大規模集成電路供電、精密逆變電焊和精密實驗儀器等場合。

技術領域

本發明屬于電氣工程領域，涉及一種采用經過改進的電壓比例—微分(PD)滯環控制技術的DC-DC降壓轉換系統，尤其適用于為低壓大電流、負載變化速率較快，負載大小變化范圍較大的設備供電。

背景技術

隨著超大規模集成電路制造技術的飛速發展，集成電路的制程面臨物理意義上的發展上限，摩爾定律難以繼續維持。為保持計算機的算力不斷提升，增加晶體管數量和集成電路規模是一種切實可行的解決辦法，而增加集成電路規模必然導致計算機整體功耗的大幅度上升，因此計算機的發展急需在低壓大電流輸出上具有極佳動態響應和穩態輸出能力的供電設備。

例如，在自動化生產中，逆變電焊技術是一種相當重要的技術。為控制焊點的強度與一致性，其需要輸出電壓盡量保持穩定。然而焊點熔池涉及金屬的相變和流動，不僅負載極大，而且變化速率大，缺乏一定的規律，這對逆變電焊設備的動態和穩態性能提出了極高的要求。

又如，在精密實驗儀器中所涉及負載突變的情況，電源同樣需要足夠強的動態響應能力。同時，由于實驗儀器對輸入輸出的精度都極端敏感，因此對電源的穩態輸出能力提出了極高的要求。

發明內容

本發明所要解決的問題在于，利用一種采用經過改進的電壓PD滯環控制技術的DC-DC降壓轉換系統為設備供電，從而兼顧輸出在穩態下的低紋波系數和高速動態響應能力。

本發明一種采用電壓比例微分滯環技術的DC-DC降壓轉換系統，包括一組同步整流Buck電路、一組電壓PD滯環控制器和一組柵極驅動器；所述同步整流Buck電路采用全域同步整流技術；所述電壓PD滯環控制器包含一組通常情況下有必要的電壓取樣電路、一個遲滯比較器、一組誤差放大電路和一組PD運算電路，電壓輸入至誤差放大器，并由誤差放大器放大輸出至PD運算電路，PD運算電路對信號求微分后與原信號按一定系數進行求和，再送入遲滯比較器，遲滯比較器輸出控制信號；同步整流Buck電路的輸入端有兩組功率半導體開關管，同步整流Buck電路輸出電壓送入電壓PD滯環控制器，電壓PD滯環控制器處理后形成控制信號輸出至柵極驅動器，柵極驅動器根據控制信號控制兩組功率半導體開關管的通斷。

所述同步整流Buck電路采用全域同步整流技術，具有較為簡單的系統特性和極高的重載效率，并能兼容極低的輸出電壓。

所述電壓PD滯環控制器包含一個輸出電壓取樣電路。對于輸出電壓并不足夠低的電路，輸出網絡電壓經過此一由串聯電阻構成的取樣電路分壓得到的電壓信號，使得輸出網絡的電壓值

其中V_ref為控制部分設置的參考電壓，R₁和R₂分別為靠近輸出網絡和地端的串聯分壓電阻。通常情況下，對于輸出電壓高于電壓PD控制器的參考電壓的電路，輸出電壓取樣電路是必要的。當設定的輸出電壓低于參考電壓時，應令輸出電壓直接作為電壓信號輸入至誤差放大器。此時電壓取樣電路可配置為輸出電壓網絡與地端網絡之間的一個偏置電阻。

所述電壓PD滯環控制器通過不同的誤差放大電路的信號增益設計和PD運算系數設計，可以調節電路的穩態性能與瞬態響應能力。

所述柵極驅動器包括任意可驅動功率半導體的電路與器件，包括但不限于柵極驅動變壓器電路、集成柵極驅動器電路或分立柵極驅動電路。

所述同步整流Buck電路中的濾波電容采用等效串聯電阻極低，接近理想器件的電容器，從而大幅提高輸出端的穩態性能。