本發(fā)明屬于電力電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種減小控制電壓紋波的平均電流控制電路及方法。

背景技術(shù)：

為了實現(xiàn)輸出電壓電流均可控，高頻開關(guān)電源通常采用電流模式控制。常用的電流模式控制有峰值電流控制和平均電流控制，其中平均電流控制直接控制電感電流的平均值，由于具有控制精度高，電流紋波小，抗干擾性能好、系統(tǒng)穩(wěn)定性強等優(yōu)點，在boost功率因數(shù)校正、電池充電控制、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的平均電流控制電路通過設(shè)計電流誤差放大器的補償網(wǎng)絡(luò)使得電流環(huán)增益帶寬達(dá)到最佳性能，但是通常會引起電感電流鋸齒紋波狀分量被比例放大，因此，由電流誤差放大器的補償網(wǎng)絡(luò)調(diào)理得到的控制電壓也將包含較大的紋波分量值，那么控制電壓的斜率有可能超過鋸齒波信號的斜坡斜率，從而有可能導(dǎo)致每個開關(guān)期間控制電壓與鋸齒波相交次數(shù)不止一次，進而導(dǎo)致功率管在一個開關(guān)周期內(nèi)多次開通。顯然，此時的電路工作在不穩(wěn)定狀態(tài)。目前的平均電流控制研究中，主要采用傳統(tǒng)的控制電路對其電流環(huán)補償網(wǎng)絡(luò)進行折中地設(shè)計，設(shè)計效果難以維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種減小控制電壓紋波的平均電流控制電路及方法，通過引入低通濾波器和同相比例放大電路，使電流環(huán)增益帶寬達(dá)到最佳性能，同時最大程度地減小電流采樣信號中的高頻分量。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：本發(fā)明提出一種減小控制電壓紋波的平均電流控制電路，用于控制功率變換器的電感電流，包括單位增益差分放大電路、低通濾波器、同相比例放大電路、誤差放大電路和占空比信號發(fā)生電路，其中：

單位增益差分放大電路用于采樣功率變換器的電感電流，并將電感電流傳輸給低通濾波器；

低通濾波器用于濾除電感電流信號的高頻紋波分量，并將濾波后的信號傳輸給同相比例放大電路；

同相比例放大電路用于對濾波后信號的幅值進行同相放大，并將放大后的信號傳輸給誤差放大電路；

誤差放大電路用于產(chǎn)生電流基準(zhǔn)信號，將電流基準(zhǔn)信號與放大后的信號做差后進行比例-積分運算得到控制電壓信號，并將控制電壓信號傳輸給比較器的正相輸入端；

占空比信號發(fā)生電路用于產(chǎn)生鋸齒波信號，并將鋸齒波信號與控制電壓信號進行比較產(chǎn)生開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，以控制功率變換器的電感電流。

本發(fā)明還提出一種減小控制電壓紋波的平均電流控制方法，包括如下步驟：

步驟1、單位增益差分放大電路采樣功率變換器的電感電流；

步驟2、低通濾波器濾除電感電流信號的高頻紋波分量；

步驟3、同相比例放大電路對濾波后信號的幅值進行同相放大；

步驟4、誤差放大電路產(chǎn)生電流基準(zhǔn)信號，與放大后的信號做差后，進行比例-積分運算得到控制電壓信號；

步驟5、占空比信號發(fā)生電路產(chǎn)生鋸齒波信號，與控制電壓信號進行比較產(chǎn)生開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，以控制功率變換器的電感電流，當(dāng)控制電壓信號值高于鋸齒波信號值時，輸出高電平導(dǎo)通功率開關(guān)；當(dāng)控制電壓信號值低于鋸齒波信號值時，輸出低電平斷開功率開關(guān)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是：本發(fā)明優(yōu)化了電流反饋環(huán)路，濾除了電流采樣信號中的高頻紋波，使得電流采樣信號近乎直流，進而提高了電流控制精度和電路的抗干擾能力，降低了電流紋波、功率損耗和電路設(shè)計的復(fù)雜度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的平均電流控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明的平均電流控制電路圖。

圖3是降壓型功率變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的平均電流控制電路穩(wěn)定運行時的波形示意圖，其中圖(a)為降壓型功率變換器電感電流的波形圖，圖(b)為經(jīng)過低通濾波器和同相比例放大器后的輸出信號的波形圖，圖(c)為控制電壓信號和鋸齒波信號的波形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步闡述本發(fā)明方案。

如圖1-2所示，減小控制電壓紋波的平均電流控制電路包括：單位增益差分放大電路1、低通濾波器2、同相比例放大電路3、誤差放大電路4和占空比信號發(fā)生電路5，其中：單位增益差分放大電路1用于采樣功率變換器的電感電流，并將電感電流傳輸給低通濾波器2；低通濾波器2用于濾除電感電流信號的高頻紋波分量，并將濾波后的信號傳輸給同相比例放大電路3；同相比例放大電路3用于對濾波后信號的幅值進行同相放大，并將放大后的信號傳輸給誤差放大電路4；誤差放大電路4用于產(chǎn)生電流基準(zhǔn)信號，將電流基準(zhǔn)信號與放大后的信號做差后進行比例-積分運算得到控制電壓信號，并將控制電壓信號傳輸給比較器的正相輸入端；占空比信號發(fā)生電路5用于產(chǎn)生鋸齒波信號，并將鋸齒波信號與控制電壓信號進行比較產(chǎn)生開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，以控制功率變換器的電感電流。

單位增益差分放大電路1包括第一電阻rd1、第二電阻rd2、第三電阻rdf1、第四電阻rdf2和差分放大器a1；第一電阻rd1一端連接差分放大器a1的正相輸入端，另一端連接電流采樣電阻rs的輸入端，第二電阻rd2一端連接差分放大器a1的反相輸入端，另一端連接電流采樣電阻rs的輸出端，第三電阻rdf1一端連接差分放大器a1的正相輸入端，另一端連接電路參考地，第四電阻rdf2一端連接差分放大器a1的反相輸入端，另一端連接差分放大器a1的輸出端。

低通濾波器2包括第五電阻rf和濾波電容cf；第五電阻rf的一端連接差分放大器a1的輸出端，另一端連接濾波電容cf的一端，濾波電容cf的另一端連接電路參考地。

同相比例放大電路3包括第六電阻raf1、第七電阻raf2和第一運算放大器a2；第一運算放大器a2的正相輸入端與連接第五電阻rf的輸出端，第一運算放大器a2的反相輸入端連接第六電阻raf1的一端，第六電阻raf1的另一端連接電路參考地，第七電阻raf2的一端連接第一運算放大器a2的反相輸入端，另一端連接第一運算放大器a2的輸出端。

所述誤差放大電路4包括第八電阻ref1、第九電阻ref2、積分電容cef、電流基準(zhǔn)信號發(fā)生器vri和第二運算放大器a3；電流基準(zhǔn)信號發(fā)生器vri的正極連接第二運算放大器a3的正相輸入端，電流基準(zhǔn)信號發(fā)生器vri的負(fù)極連接電路參考地，第八電阻ref1的一端連接第二運算放大器a3的反相輸入端，另一端連接第九電阻ref2的一端，第九電阻ref2的另一端連接積分電容cef的一端，積分電容cef的另一端連接第二運算放大器a3的輸出端。所述第二運算放大器a3用于通過負(fù)反饋控制使正、反相輸入端電壓一致。

所述占空比信號發(fā)生電路5包括鋸齒波信號源vsaw和比較器a4；鋸齒波信號源vsaw的正極與比較器a4的反相輸入端連接，鋸齒波信號源vsaw的負(fù)極與電路參考地連接，比較器a4的正相輸入端與第二運算放大器a3的輸出端連接，比較器a4的輸出端連接功率變換器功率開關(guān)s，輸出控制開關(guān)管s導(dǎo)通的占空比信號vgs。

基于上述平均電流控制電路的平均電流控制方法，包括如下步驟：

步驟1、單位增益差分放大電路1采樣功率變換器的電感電流，將；

步驟2、低通濾波器2濾除電感電流信號的高頻紋波分量；

步驟3、同相比例放大電路3對濾波后信號的幅值進行同相放大；

步驟4、誤差放大電路4產(chǎn)生電流基準(zhǔn)信號，與放大后的信號做差后，進行比例-積分運算得到控制電壓信號；

步驟5、占空比信號發(fā)生電路5產(chǎn)生鋸齒波信號，與控制電壓信號進行比較產(chǎn)生開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，以控制功率變換器的電感電流，當(dāng)控制電壓信號值高于鋸齒波信號值時，輸出高電平導(dǎo)通功率開關(guān)；當(dāng)控制電壓信號值低于鋸齒波信號值時，輸出低電平斷開功率開關(guān)。

工作原理分析如下：

單位增益差分放大電路檢測功率變換器的電感電流，電感電流的大小能夠通過采樣電阻電壓rsil反映，采樣電阻電壓表示為：

vrs＝rsil＝rs(il+δil+il)

其中，il為電感電流直流分量，δil為電感電流高頻交流分量，il為電感電流低頻交流分量。

低通濾波器具有通低頻阻高頻的特性，采樣電阻電壓vrs經(jīng)過低通濾波器，得到的信號其高頻交流分量rsδil已被濾除，且除了少量的低頻交流分量外，其余均為直流分量，即輸出一個含較少低頻交流分量的直流信號vcf，表示為：

vcf＝rs(il+il)≈rsil

同相比例放大電路通過電阻網(wǎng)絡(luò)值將直流分量rsil放大相應(yīng)倍數(shù)得到電流反饋信號vfi，以匹配后級誤差放大器正負(fù)相輸入信號的幅值大小，即穩(wěn)態(tài)運行時該電流反饋信號vfi將跟蹤電流參考電壓信號vri，vfi表示如下：

至此來自電感電流的高頻交流分量已經(jīng)被最大程度上衰減，因此可以將vfi看作直流信號。電流誤差放大電路將同相比例放大電路輸出的直流電壓信號與電流參考電壓信號做差后進行比例-積分運算，所得控制電壓信號vci的高頻交流分量已被低通濾波器和電流誤差放大電路衰減的所剩無幾。

控制電壓信號送入比較器正相輸入端，比較器對正相輸入端和負(fù)相輸入端的信號進行比較：當(dāng)控制電壓信號值高于鋸齒波信號值時，比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平，產(chǎn)生功率開關(guān)導(dǎo)通脈沖信號；當(dāng)控制電壓信號值低于鋸齒波信號值時，比較器翻轉(zhuǎn)輸出低電平，產(chǎn)生功率開關(guān)關(guān)斷脈沖信號。如此往復(fù)可得到穩(wěn)定或可調(diào)的負(fù)載電流值。

上述平均電流控制電路和方法可廣泛應(yīng)用于直-直功率變換器，本發(fā)明以一個降壓型功率變換器作為實例說明。圖3所示的降壓型功率變換器，包括：輸入直流電源vin、功率開關(guān)s、功率二極管d、濾波電感l(wèi)、電流采樣電阻rs、濾波電容c和負(fù)載電阻rl?；谒龅钠骄娏骺刂齐娐泛头椒?，該功率變換器的電感電流可以被有效控制在恒流狀態(tài)或可調(diào)整狀態(tài)。

圖4為將本發(fā)明電路和方法應(yīng)用到圖3降壓型功率變換器后，穩(wěn)態(tài)時控制回路的主要波形圖。如圖4(a)所示，功率變換器電感電流il含有的高頻紋波量幅值較大，若采樣后直接引入電流誤差放大器勢必不能兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性和環(huán)路最優(yōu)帶寬。如圖4(b)所示，由于低通濾波器的存在，同相比例放大器輸出信號vfi信號近乎直流，這使得來自電感電流的高頻紋波分量不再饋入電流誤差放大器，保證了電流環(huán)增益帶寬能夠設(shè)計在最佳狀態(tài)。如圖4(c)所示，控制電壓信號vci高頻紋波分量大大減小，其斜坡斜率與鋸齒波斜率相比十分微小，整個開關(guān)周期內(nèi)vci近似恒值。顯然，將濾除高頻紋波分量與增益帶寬設(shè)計進行解耦處理，電流控制精度提高，電流紋波減小，控制電路的抗干擾能力大大增強，即本發(fā)明可以達(dá)到減小控制電壓紋波大小的目的。