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CN104506038B - 基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法 - Google Patents

基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法 Download PDF

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Abstract

基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法，属于直流变换器技术领域。本发明是为了解决现有直流变换器的软开关方法需要增加辅助电路，会造成系统复杂的问题。所述控制方法采用光耦检测电路检测获得Buck变换器桥臂中点的电压，通过该桥臂中点的电压获得Buck变换器中续流二极管的通断状态，进而获得IGBT模块的零电流开通信号，再根据所述零电流开通信号实现对Buck变换器的软开关控制；该IGBT模块自带二极管D1，并且IGBT模块两端并联高频电容C。本发明用于Buck变换器的软开关控制。

Description

基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法
技术领域
本发明涉及基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法，属于直流变换器技术领域。
背景技术
直流变换器广泛应用于开关电源、新能源发电、微网等领域。采用硬开关技术的直流变换器具有器件开关损耗大、系统效率低、开关频率不高等缺点，为此出现了软开关控制技术，如谐振软开关、ZVS-PWM、ZCS-PWM、ZVT、ZCT等，这些软开关技术需要增加辅助电路，使得系统复杂。
Buck变换器中电感电流断续时，电感和IGBT寄生电容上将产生谐振，使桥臂中点电位抬升，在电流断续情况下触发IGBT导通将实现零电流开通，并降低IGBT开通电压，实现软开关控制。然而，电流断续工作使得变换器纹波电流增加、电路利用率较低，若能使电感电流工作在临界状态，将能够实现软开关的同时，最大程度提高变换器的利用率。
传统技术中采用检测电感电流的方法来判断电流值是否降为零，这种过零点检测方法易受干扰，同时电流传感器将引入延时，影响系统开关频率的提升。
发明内容
本发明目的是为了解决现有直流变换器的软开关方法需要增加辅助电路，会造成系统复杂的问题，提供了一种基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法。
本发明所述基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法，该控制方法采用光耦检测电路检测获得Buck变换器桥臂中点的电压，通过该桥臂中点的电压获得Buck变换器中续流二极管的通断状态，进而获得IGBT模块的零电流开通信号，再根据所述零电流开通信号实现对Buck变换器的软开关控制；该IGBT模块自带二极管D1，并且IGBT模块两端并联高频电容C。
Buck变换器的结构为：Buck变换器的两个输入端之间并联滤波电容C1，IGBT模块和续流二极管D2反串联构成斩波桥臂，该斩波桥臂与滤波电容C1并联，桥臂中点A为IGBT模块和续流二极管D2之间的连接点，桥臂中点A连接滤波电感L的一端，滤波电感L的另一端连接输出端滤波电容C2，滤波电容C2的两端作为Buck变换器的两个输出端；
光耦检测电路的检测端连接桥臂中点A，光耦检测电路的电源与Buck变换器共地连接；光耦检测电路用于检测续流二极管D2的通断状态。
光耦检测电路由高速光电耦合器OC及其外围电路组成，外围电路包括+15V电源、限流电阻R1、高压快恢复二极管D3、输出上拉电阻R2和+5V电源，其中+15V电源与Buck变换器共地，+5V电源与Buck变换器隔离；
在光耦检测电路的输入端与检测端之间，限流电阻R1、高速光电耦合器OC及高压快恢复二极管D3依次串联，高压快恢复二极管D3的阴极连接到桥臂中点A；光耦检测电路的光耦输出信号为uA，该光耦输出信号uA用于获得IGBT模块的零电流开通时刻。
所述实现对Buck变换器的软开关控制的具体方法包括：根据检测获得的光耦输出信号uA的上升沿时刻，判定续流二极管D2续流结束，滤波电感L的电感电流降为零，此时触发IGBT模块导通，使Buck变换器工作在临界电流模式。
所述实现对Buck变换器的软开关控制的具体方法还包括：通过检测获得滤波电感L的电流值，将该滤波电感L的电流值与设定阈值实时比较，当滤波电感L的电流值达到设定阈值时关断IGBT模块，使滤波电感L的电流平均值控制为设定阈值的一半，从而使Buck变换器的滤波电感L的电流值始终工作在零与最大电流的临界连续状态。
IGBT模块的开关信号通过时序电路调制获得：
使设定阈值为电流峰值设定值Imax，滤波电感L的电流值表示为iL，将电流峰值设定值Imax和iL比较产生控制信号uc，检测控制信号uc的上升沿，触发RS触发器复位，获得低电平的IGBT模块控制信号ug，此时控制信号ug为IGBT模块的关断信号；
同时检测光耦输出信号uA的上升沿，触发RS触发器置位，获得高电平的IGBT模块控制信号ug，此时控制信号ug为IGBT模块的开通信号。
本发明的优点：本发明方法通过在光耦检测电路的输入端串联一个高压快恢复二极管后连接到Buck变换器的桥臂中点，来检测续流二极管的工作状态，从而获得IGBT的零电流开通时刻，再结合峰值电流关断控制，使Buck变换器工作在临界电流模式，实现Buck变换器的软开关控制。该发明具有实现电路简单，检测信号不易受干扰等优点。
附图说明
图1是本发明所述基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法中Buck变换器的主电路拓扑图；
图2是光耦检测电路与Buck变换器的原理图；
图3是时序电路调制获得IGBT模块的开关信号的原理图；
图4是Buck变换器在电流连续模式下的工作波形图；
图5是Buck变换器在电流断续模式下的工作波形图；
图6是Buck变换器在电流临界模式下的工作波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法，该控制方法采用光耦检测电路1检测获得Buck变换器桥臂中点的电压，通过该桥臂中点的电压获得Buck变换器中续流二极管的通断状态，进而获得IGBT模块2的零电流开通信号，再根据所述零电流开通信号实现对Buck变换器的软开关控制；该IGBT模块2自带二极管D1，并且IGBT模块2两端并联高频电容C。
本实施方式中高频电容C为小容量高频电容。
具体实施方式二：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，Buck变换器的结构为：Buck变换器的两个输入端之间并联滤波电容C1，IGBT模块2和续流二极管D2反串联构成斩波桥臂，该斩波桥臂与滤波电容C1并联，桥臂中点A为IGBT模块2和续流二极管D2之间的连接点，桥臂中点A连接滤波电感L的一端，滤波电感L的另一端连接输出端滤波电容C2，滤波电容C2的两端作为Buck变换器的两个输出端；
光耦检测电路1的检测端连接桥臂中点A，光耦检测电路1的电源与Buck变换器共地连接；光耦检测电路1用于检测续流二极管D2的通断状态。
高频电容C与滤波电感L构成Buck变换器输入端和输出端之间的谐振回路。
具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，光耦检测电路1由高速光电耦合器OC及其外围电路组成，外围电路包括+15V电源、限流电阻R1、高压快恢复二极管D3、输出上拉电阻R2和+5V电源，其中+15V电源与Buck变换器共地，+5V电源与Buck变换器隔离；
在光耦检测电路1的输入端与检测端之间，限流电阻R1、高速光电耦合器OC及高压快恢复二极管D3依次串联，高压快恢复二极管D3的阴极连接到桥臂中点A；光耦检测电路1的光耦输出信号为uA，该光耦输出信号uA用于获得IGBT模块2的零电流开通时刻。
本实施方式中高压快恢复二极管D3用于防止光耦输入二极管反向击穿。
具体实施方式四：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述实现对Buck变换器的软开关控制的具体方法包括：根据检测获得的光耦输出信号uA的上升沿时刻，判定续流二极管D2续流结束，滤波电感L的电感电流降为零，此时触发IGBT模块2导通，使Buck变换器工作在临界电流模式。
具体实施方式五：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述实现对Buck变换器的软开关控制的具体方法还包括：通过检测获得滤波电感L的电流值，将该滤波电感L的电流值与设定阈值实时比较，当滤波电感L的电流值达到设定阈值时关断IGBT模块2，使滤波电感L的电流平均值控制为设定阈值的一半，从而使Buck变换器的滤波电感L的电流值始终工作在零与最大电流的临界连续状态。
本实施方式采用电流限幅比较器对滤波电感L的电流值与设定阈值进行比较，对滤波电感L电流进行限幅控制，即当电感电流到达设定幅值时关断IGBT，再结合具体实施四的控制方法，使电感电流平均值控制在幅值电流的一半。
具体实施方式六：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，IGBT模块2的开关信号通过时序电路调制获得：
使设定阈值为电流峰值设定值Imax，滤波电感L的电流值表示为iL，将电流峰值设定值Imax和iL比较产生控制信号uc，检测控制信号uc的上升沿，触发RS触发器复位，获得低电平的IGBT模块2控制信号ug，此时控制信号ug为IGBT模块2的关断信号；
同时检测光耦输出信号uA的上升沿，触发RS触发器置位，获得高电平的IGBT模块2控制信号ug，此时控制信号ug为IGBT模块2的开通信号。
本实施方式中IGBT模块2的开关信号由光耦输出信号上升沿和电流限幅比较器输出信号上升沿经过时序电路调制得到，光耦输出信号上升沿为IGBT开通时刻，电流限幅比较器输出信号上升沿为IGBT关断时刻。控制信号ug为IGBT的门极驱动信号。
本发明方法是一种直流变换技术，它通过高速光耦检测Buck变换器续流二极管的通断状态获得零电流开通的条件，实现Buck变换器的软开关控制。
结合图2进行说明，当Buck变换器下桥臂的续流二极管D2工作在续流状态时，桥臂中点A输出低电平；当IGBT模块2导通或电流断续时，Buck变换器下桥臂的续流二极管D2关断，桥臂中点电位被抬高，光耦输入端发光二极管截止，光耦输出高电平。也就是说，当电感电流逐渐降低到零过程中，下桥臂续流二极管由续流导通转为截止，光耦输出信号由低电平变为高电平，因此，通过检测光耦输出信号的上升沿即可判断电感电流断续的时刻，获得IGBT零电流开通条件。同时，通过电感电流检测值与设定阈值的实时比较，当电感电流达到设定阈值时关断IGBT，使Buck变换器的电感电流始终工作在零与最大电流的临界连续状态。
通过图3所示时序电路的调制，使Buck变换器中的IGBT斩波开关在电感电流到达峰值Imax后关断，在降为零时开通，使电感电流始终处于临界连续状态，保证了IGBT的零电流开通，降低了IGBT的开通损耗。
图4中uAG为桥臂中点对地电压，如图4所示，在电流连续模式下，IGBT处于硬开关状态，开关损耗大。
结合图2与图5所示，在电流断续期间，滤波电感L和高频电容C上将产生谐振，导致桥臂中点A的电位振荡，因此可以通过检测桥臂中点电位来判断电感电流是否断续。采用本发明方法检测桥臂中点A的电位，在电感电流下降到零时，也即电感L和电容C出现谐振致使A点电位上升时，光耦输出信号uA由低电平跳变为高电平。若在uA的每个上升沿触发IGBT导通，将使电感电流工作在临界状态，避免电压谐振，同时保证IGBT的零电流开通。
图6所示为Buck变换器在电流临界模式下的工作波形。通过本发明方法检测桥臂中点A的电位，电感电流通过二极管D2续流时，光耦输出uA为低电平信号。当A点电位上升时表明电感电流下降到零，续流二极管D2截止，光耦输出uA变为高电平，此时给出IGBT开通信号，电感电流将逐渐增加，IGBT导通期间光耦输出信号uA保持高电平。当电感电流逐步上升到最大设定值Imax时，关断IGBT，使电感电流通过二极管D2续流，电感电流又逐渐下降。循环上面的过程，保证电感电流始终工作在0和Imax之间的临界连续状态，获得Imax/2的平均电流。
为保证电感电流工作在临界状态，电感值按下式进行取值：
式中，U1为Buck变换器的输入电压，U2为Buck变换器的输出电压；fs为开关频率。

Claims (5)

1.一种基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法，该控制方法采用光耦检测电路(1)检测获得Buck变换器桥臂中点的电压，通过该桥臂中点的电压获得Buck变换器中续流二极管的通断状态，进而获得IGBT模块(2)的零电流开通信号，再根据所述零电流开通信号实现对Buck变换器的软开关控制；该IGBT模块(2)自带二极管D1，并且IGBT模块(2)两端并联高频电容C；
其特征在于，Buck变换器的结构为：Buck变换器的两个输入端之间并联滤波电容C1，IGBT模块(2)和续流二极管D2反串联构成斩波桥臂，该斩波桥臂与滤波电容C1并联，桥臂中点A为IGBT模块(2)和续流二极管D2之间的连接点，桥臂中点A连接滤波电感L的一端，滤波电感L的另一端连接输出端滤波电容C2，滤波电容C2的两端作为Buck变换器的两个输出端；
光耦检测电路(1)的检测端连接桥臂中点A，光耦检测电路(1)的电源与Buck变换器共地连接；光耦检测电路(1)用于检测续流二极管D2的通断状态。
2.根据权利要求1所述的基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法，其特征在于，光耦检测电路(1)由高速光电耦合器OC及其外围电路组成，外围电路包括+15V电源、限流电阻R1、高压快恢复二极管D3、输出上拉电阻R2和+5V电源，其中+15V电源与Buck变换器共地，+5V电源与Buck变换器隔离；
在光耦检测电路(1)的输入端与检测端之间，限流电阻R1、高速光电耦合器OC及高压快恢复二极管D3依次串联，高压快恢复二极管D3的阴极连接到桥臂中点A；光耦检测电路(1)的光耦输出信号为uA，该光耦输出信号uA用于获得IGBT模块(2)的零电流开通时刻。
3.根据权利要求2所述的基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法，其特征在于，所述实现对Buck变换器的软开关控制的具体方法包括：根据检测获得的光耦输出信号uA的上升沿时刻，判定续流二极管D2续流结束，滤波电感L的电感电流降为零，此时触发IGBT模块(2)导通，使Buck变换器工作在临界电流模式。
4.根据权利要求3所述的基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法，其特征在于，所述实现对Buck变换器的软开关控制的具体方法还包括：通过检测获得滤波电感L的电流值，将该滤波电感L的电流值与设定阈值实时比较，当滤波电感L的电流值达到设定阈值时关断IGBT模块(2)，使滤波电感L的电流平均值控制为设定阈值的一半，从而使Buck变换器的滤波电感L的电流值始终工作在零与最大电流的临界连续状态。
5.根据权利要求4所述的基于光耦检测的Buck变换器软开关控制方法，其特征在于，
IGBT模块(2)的开关信号通过时序电路调制获得：
使设定阈值为电流峰值设定值Imax，滤波电感L的电流值表示为iL，将电流峰值设定值Imax和iL比较产生控制信号uc，检测控制信号uc的上升沿，触发RS触发器复位，获得低电平的IGBT模块(2)控制信号ug，此时控制信号ug为IGBT模块(2)的关断信号；
同时检测光耦输出信号uA的上升沿，触发RS触发器置位，获得高电平的IGBT模块(2)控制信号ug，此时控制信号ug为IGBT模块(2)的开通信号。
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