[发明专利]一种应用于准并联结构变换器的变占空比软启动控制系统

权利要求书

1.一种应用于准并联结构变换器的变占空比软启动控制系统，其特征在于，所述准并联结构变换器采用Sigma变换器，所述Sigma变换器包括用于向负载输送大功率的LLC谐振变换器和用于调节输出电压的Buck变换器；所述控制系统包括采样模块、LLC占空比控制模块、Buck模式切换模块、误差计算模块、PI模块以及PWM模块；

所述采样模块包括采样电路和采样计算模块，用于采样得到准并联结构变换器的输出电压Vo以及Buck变换器的输入电压V_buck，并同时将电压Vo输出给LLC占空比控制模块以及Buck模式切换模块，将电压Vo和电压V_buck输出给误差计算模块；

所述LLC占空比控制模块包括占空比计算模块以及查找表，占空比计算模块仅在上电之后运行一次，根据预设的功率级参数以及谐振电流的上限，通过数值迭代，计算出不同Vo值所对应的LLC占空比，并将结果存储在查找表中；查找表则在软启动的过程中接收采样模块输出的电压Vo信号，输出对应的LLC占空比信号D_LLC给PWM模块以及Buck模式切换模块；

所述Buck模式切换模块用于根据采样电压Vo的大小与设定的参考电压V_ref的85%的大小关系，以及LLC占空比信号D_LLC判断是否需要模式切换，并输出模式选择信号Mode给误差计算模块以及PI模块；具体的：

当Vo＜85%V_ref，则Buck变换器仍处于软启动第一阶段，需要稳定Buck变换器的输入电压V_buck，输出模式选择信号Mode=1；当模式选择信号Mode=1时，所述误差计算模块用Buck输入电压的参考电压V_{ref_buck}减去采样到的输入电压V_buck，得到误差信号e1；

当Vo＞85%V_ref，此时Buck变换器软启动第一阶段结束，进入第二阶段需要稳定Sigma变换器输出电压Vo，输出模式选择信号Mode=2；当模式选择信号Mode=2时，此时由第一阶段进入第二阶段，第二阶段采用斜坡信号作为参考电压，该斜坡信号以第一阶段结束的Sigma变换器输出电压Vo作为起始值，以固定斜率上升到稳态时输出电压的参考电压V_ref，此时所述误差计算模块用斜坡信号减去采样到的输出电压Vo，得到误差信号e2；

若Vo＞85%V_ref，且此时Sigma变换器输出电压Vo已经达到稳态电压，LLC占空比也增加到50%并保持稳定，此时认为Buck变换器应当切换到稳态闭环控制模式，输出模式选择信号Mode=0；当模式选择信号Mode=0时，此时第二阶段结束，切换到为稳态闭环控制模式，所述误差计算模块用Sigma变换器输出电压的参考电压V_ref减去采样到的输出电压Vo，得到误差信号e3；

所述误差计算模块将计算得到的误差信号输出给PI模块；所述PI模块用于根据模式选择信号Mode，选择对应模式下的PI参数，对误差信号进行补偿后输出给PWM模块；

所述PWM模块包括PWM单元和驱动单元，PWM单元的输入为PI模块输出的补偿结果Vc以及LLC占空比控制模块输出的LLC占空比信号D_LLC；对于PI模块输出的补偿结果Vc，结合给定的开关周期，计算出对应的每周期的占空比信息，形成对应占空比的方波信号，PWM单元将方波信号输出给驱动单元，驱动单元根据输入的方波信号形成驱动信号，并输出给所述Buck变换器；对于LLC占空比控制模块输出的LLC占空比信号D_LLC，直接转换为对应占空比的方波信号，PWM单元将方波信号输出给驱动单元，驱动单元根据输入的方波信号形成驱动信号，并输出给所述LLC谐振变换器。

2.根据权利要求1所述的应用于准并联结构变换器的变占空比软启动控制系统，其特征在于，所述占空比计算模块中，基于对半桥LLC的数学建模分析，将半桥LLC谐振变换器的启动过程分为五种模态，并在时域对于五种模态通过微分方程建立出数学模型，并经过离散化转化为能够用于迭代计算的格式；根据输出级方程以及当前开关周期的输出电压值计算出下一个开关周期的占空比；

模式Ⅰ发生在MOS1导通而MOS2截止时，模式Ⅱ发生在MOS2导通而MOS1截止时，当MOS1和MOS2关断，MOS2的体二极管作为续流二极管导通时为模式Ⅲ，MOS1和MOS2也都断开时，MOS1的体二极管作为续流二极管为模式Ⅳ，模式Ⅴ发生在MOS1和MOS2截止且谐振电流为0时，此时输出电压由输出电容器Co保持；其中，MOS1、MOS2分别是半桥LLC谐振变换器的上桥臂开关管和下桥臂开关管；

具体包括如下步骤：

首先设定电流限定值I_lim以及初始占空比，根据初始占空比以及已经建立的数学模型，计算出此时的谐振峰值电流i_pk(k)；

将计算得出的谐振峰值电流i_pk(k)与电流限定值I_lim相比较，若谐振峰值电流i_pk(k)大于电流限定值I_lim，则通过数值迭代计算出下一周期中应采用的占空比D(k)以及当前的输出电压误差ΔV_o(k)，并结合当前周期的输出电压计算得到下一周期的输出电压，代入计算下一周期的谐振峰值电流并再次判断；

若谐振峰值电流i_pk(k)小于电流限定值I_lim，则计算此时的LLC中变压器原边输入电压nV_o(k)是否大于LLC输入电压V_{in_LLC}，若小于LLC输入电压V_{in_LLC}，则线性增加当前的输出电压以及占空比，保存后再次比较LLC中变压器原边输入电压nV_o(k)是否大于LLC输入电压V_{in_LLC}；若LLC中变压器原边输入电压nV_o(k)大于LLC输入电压V_{in_LLC}，则保存输出电压以及对应的占空比信息，并结束数值迭代；

数字控制器经过迭代计算得到不同的电路输出电压Vo所对应的LLC占空比D_LLC，并存储在查找表中。