一种GaN基有源钳位反激变换器的预测电流模控制方法

技术领域

本发明公开了一种GaN基有源钳位反激变换器的预测电流模控制方法，尤其是一种GaN基有源钳位反激变换器预测滞环电流模控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

在当今电源领域中，MOS管大多采用Si基材料和GaN基材料，GaN具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等优点，这使得GaN基材料的MOS管相较于Si基材料的MOS管具有导通电阻小、开关速度快的优点，大大降低器件的通态损耗和开关损耗，从而提高变换器的效率和工作频率。此外，GaN基材料因其较宽的禁带具有更高的耐压特性，因此，GaN基材料的MOS管更加适合反激变换器的应用场合。

反激变换器具有结构简单和成本低的优点，通常为了抑制开关断开时的电压尖峰，需要用一个RCD钳位电路来耗散泄露能量，但这样一方面泄露能量的耗散导致效率的降低，另一方面形成的电压振铃现象导致较高的压摆率，而采用钳位电容就可以避免这两方面的问题，钳位电容作为储能元件可以回收泄露的能量，并用于帮助实现开关管的ZVS，在降低开关损耗和导通损耗方面起着重要的作用。

在现有的有源钳位反激变换器控制策略中，为了实现开关管的ZVS需要励磁电流反向以帮助实现ZVS。有的控制策略中采用固定死区和固定的负电流帮助实现ZVS，但这样过大的负电流会导致死区时间结束前已经实现ZVS从而导致续流损耗，也会导致较大的铜损；而过小的负电流导致死区时间结束前未能实现ZVS，从而导致过大的开关损耗。有的控制策略采用固定死区时间逐周期增大或减小负电流的方法来实现恰好ZVS，但这样在实现恰好ZVS之前需要经过较长的一段时间，在这段时间内存在可避免的许多损耗，并且完全的ZVS需要较大的负电流，虽然降低了开关损耗，但增加了导通损耗和铜损，而部分ZVS仅需要较小的负电流，虽然提高了开关损耗，但降低了导通损耗和铜损。综上，现有的有源钳位反激变换器的控制策略利用谷值电流实现主开关管的ZVS以降低开关损耗，但过大或过小的谷值电流都会导致总损耗不是最低，如何折中开关损耗和导通损耗并实现完全恰好ZVS时总损耗一定最小依然是提高有源钳位反激变换器控制效率需要克服的一个难题。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种GaN基有源钳位反激变换器的预测电流模控制方法，通过检测电路所处工况后查表直接得出该工况下损耗最低点所对应的谷值电流和死区时间，快速达到最佳工作状态，降低损耗，提高效率，解决了现有有源钳位反激式变换器控制策略不能折中开关损耗和导通损耗并实现完全恰好ZVS时总损耗一定最小的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明提出了一种低功耗有源钳位反激变换器预测电流模控制系统，包括采样及信号处理电路、以微控制器为核心的控制电路和栅驱动器。以微控制器为核心的控制电路包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、PID单元、LUT单元、寄存器、控制单元和PWM定时器。其中，第一比较器、第二比较器、第三比较器和PWM定时器为微控制器内部实际的硬件功能模块，PID单元、LUT单元、寄存器和控制单元为以微控制器为硬件基础而实现的软件功能模块。

采样及信号处理电路的第一输入端接有源钳位反激变换器的励磁电感电流，第二输入端接有源钳位反激变换器的输出电压，第三输入端接有源钳位反激变换器的输入电压；采样及信号处理电路的第一输出端所输出的信号i

第一比较器的反相输入端和第二比较器的同相输入端均接至控制单元，其中，第一比较器的反相输入端为上一工作周期确定的谷值电流I

第一比较器和第二比较器的输出端接至控制单元，输出控制主副开关关断时间的控制信号。第三比较器的输出端接至PID单元用于调整下一工作周期的峰值电流I

本发明所提出的有源钳位反激变换器预测电流模控制方法，工作原理如下：首先通过理论推导出有源钳位反激变换器在各种工况下一个工作周期内的电流公式，并计算与谷值电流I

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明通过理论推导求出使得总体损耗最小所对应的谷值电流I

(2)根据本发明确定的与谷值电流I

(3)本发明根据GaN寄生参数模型所建立的开关损耗模型，可以很方便的计算主开关管开启时所产生的开关损耗，降低了损耗计算的难度。

(4)本发明对电路中输入电压V

(5)本发明所提出的有源钳位反激变换器的预测滞环电流模控制方法，适用于电流模控制的有源钳位反激变换器，降低电路总体损耗，提高整体效率。

附图说明

图1为本实施例采用的一种有源钳位反激变换器的拓扑结构图。

图2为本实施例所示有源钳位反激变换器预测滞环电流模控制系统的结构框图。

图3为本实施例采用的一种有源钳位反激变换器一个周期内的电流波形图。

图4为本实施例采用的一种开关损耗计算模型的示意图。

图5(a)为本实例中励磁电感电流在实现ZVS前未上升到0选取死区时间t

图6为本实例计算损耗最小值时谷值电流i

图7为本实例采用的控制方法一个周期控制过程流程图。

图中标号说明：V

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本实例采用的一种有源钳位反激变换器的拓扑结构如图1所示，包括：输入直流源V

本发明提出了一种图2所示的有源钳位反激变换器预测电流模控制系统，包括采样及信号处理电路，以微控制器为核心的控制电路和栅驱动电路。以微控制器为核心的控制电路包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、PID单元、LUT单元、寄存器、控制单元和PWM定时器。其中，第一比较器、第二比较器、第三比较器和PWM定时器为微控制器内部实际的硬件功能模块，PID单元、LUT单元、寄存器和控制单元为以微控制器为硬件基础而实现的软件功能模块。

结合图3给出有源钳位反激变换器一个周期内和与谷值电流i

只与谷值电流i

导通损耗部分计算如下：

P

铜损部分计算公式如下：

P

式(1)至式(7)中：R

根据图4所示主开关损耗等效模型计算主功率管的开关损耗：

假设主开关在t6时刻导通，此时主功率管寄生电容C

当V＝0时，

综上所述，总损耗为开关损耗、导通损耗与铜损之和。

P

结合图5说明死区时间t

结合图6说明谷值电流i

结合图7说明控制过程的具体实施方式为：

在一个工作周期内通过采样信号及处理电路采样有源钳位反激变换器的输出电压V

在一个工作周期结束后，控制单元将该工作周期得到的谷值电流和峰值电流分别传递到第一比较器的反相输入端和第二比较器的同相输入端。采样信号及处理电路采样励磁电感电流输入给第一比较器的同相输入端和第二比较器的反相输入端，当主开关管导通时，励磁电感电流上升，当励磁电感电流上升到峰值电流I

通过该控制方式，通过理论计算在导通损耗和铜损以及开关损耗之间找到了一个比较好的折中，并通过可变的死区时间的设置避免了续流损耗以及励磁电感电流谐振到正电流之后给主开关管上的电容进行反向充电的过程，通过查表法得到谷值电流，使得仅需经过一个周期的调整即可使电路工作在一个损耗较低的工作状态，使电路可以更快地进入高效的工况，降低了损耗，提高了效率。采用GaN器件，具有更低的导通电阻和寄生参数，降低了损耗，提升了整体电路的动态性能，并适用于高频的应用场所。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也落入本发明的保护范围。