[发明专利]一种交替移相脉冲宽度调制波控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及开关变换器的脉冲宽度调制波控制方法，尤其是用于两相交错并联的倍压Boost变换器的交替移相脉冲宽度调制波控制方法。

背景技术

高升压比DC-DC变换器广泛应用于电动汽车、新能源发电、不间断电源等领域，其高直流增益通常由高频变压器、耦合电感和开关电容等方法来实现。一些在传统基本变换电路基础上结合开关电容的混合型变换器，显示出高变换效率、低电压应力、轻便和低成本等优点，如两相交错并联倍压Boost变换器是其典型代表。图1是两相交错并联倍压Boost变换器主电路与控制系统框图，其中电感L1、开关管T1与二极管D1，和电感L2、开关管T2与二极管D2分别组成该变换器的两个并联Boost变换单元，电容CM1、二极管DM1和电容CM2、二极管DM2组成的两个开关电容倍压电路为每个变换单元提供一级增压功能。通常，该变换器的两个Boost变换单元采用传统的移相角为π的脉冲宽度调制（PWM）波控制，即其开关管互差半个开关周期（T/2）交替工作，如图2(a)所示。在正常工作条件下，该变换器采用交错并联方式分散了变换功率和电流、减小了输入电流和输出电压的纹波，采用倍压电容使其输出电压为相同占空比条件下普通Boost变换器的两倍，并且倍压电容和开关管的电压应力仅为输出电压的一半。上述特性使该变换器在大容量、高升压比、非隔离直流变换电路中具有吸引力。

但是，采用传统的移相角为π的脉冲宽度调制（PWM）波控制，两相并联Boost变换器在轻载时会进入电流断续模式(DCM)而出现运行性能下降的问题。因为在DCM下，开关占空比D将随着负载的减轻而变小。当开关占空比D小于一个临界值时，倍压电容电压将随D减小而下降，造成变换器开关电压应力的上升、损耗增加等问题。这在许多轻载运行难以避免的应用场合，如不间断电源等领域，限制了该类变换器的使用或性能发挥。因此，有必要采用合适的控制方式解决变换器的轻载运行问题。

解决轻载问题的常规方法主要有：

(1)增加输入电感或提高开关频率。但该方法易受器件性能限制，并且不能彻底解决变换器的轻载运行问题。

(2)增加交错并联相数。但该方法增加了元件数量，且仍不能从根本上解决轻载问题。

(3)采用间歇控制。但该方法会引入较大的输入电流和输出电压纹波，并且可能引起音频噪声。

发明内容

本发明的目的是提供一种交替移相脉冲宽度调制波控制方法，控制两相交错并联倍压Boost变换器的运行，克服现有方法在轻载条件下所出现的倍压电容电压下降而造成开关管电压应力增加的问题，并且避免变换器主电路元件数量和成本增加、或电压和电流纹波、噪音等运行性能的明显下降，维持其高升压比、开关管电压应力低等特性。

本发明的交替移相脉冲宽度调制波控制方法，包括两相交错并联倍压Boost变换器主电路、用于输入与输出电压电流测量的检测电路、用于开关占空比计算和脉冲宽度调制(PWM)波形发生的控制器、以及按照PWM信号控制变换器开关管工作的驱动电路，其中变换器主电路包含相同结构的两个交错并联的倍压Boost变换单元及其公共直流输入电源、直流输出电容与负载，每个变换单元的输入电感和输出二极管间串联了用于输出倍压的有极性的倍压电容，其负极通过倍压二极管连接到另一个变换单元的倍压电容正极，其特征是用于开关占空比计算和脉冲宽度调制(PWM)波形发生的控制器在占空比大于和等于0.5时或是在电感电流连续模式运行时，以固定相移π角度的方式给两个倍压Boost变换单元的开关管提供脉冲宽度调制波开关指令信号，在占空比小于0.5并且电感电流断续模式运行时，采用随开关占空比而变化的浮动移相角2Dπ，以逐个开关周期交换相序的交替移相方式给两个倍压Boost变换单元的开关管提供脉冲宽度调制波开关指令信号，控制变换器开关管的导通与关断。

本发明的方法解决了两相交错并联倍压Boost变换器的运行中的轻载问题，变换器可以在较小的占空比条件下工作于DCM模式，功率开关的电压应力受到了限制，使变换器在实现高升压比的同时选用工作电压较低的开关器件，从而优化系统设计，提高变换器的效率和性能。

本发明的控制方法简单可行，相比于传统的轻载问题解决方法，输入电流纹波和输出电压纹波减小，并且开关在恒定开关频率工作，无需额外元器件或使用间歇控制，也避免了噪音和成本增加等问题。因而比传统控制方法更加简单、有效。在系统性能改善，降低控制系统成本的同时还提高了系统可靠性。