基于输出端信号的谐振变换器同步整流装置

本发明属于电力电子与电能变换领域，具体涉及一种基于输出端信号的谐振变换器同步整流装置。

背景技术：

1、随着可再生能源技术、电动汽车、数据中心、储能系统等领域的迅速发展，作为上述应用中不可或缺的隔离型dc-dc变换器成为备受关注的研究热点。隔离型dc-dc变换器根据工作原理可分为非谐振型和谐振型两类，谐振变换器因其优秀的软开关性能和较宽的电压调节范围等优势，被广泛应用于光伏、电动汽车、数据中心、储能系统等新兴领域。

2、同步整流是一项通过控制mosfet开通和关断来取代整流二极管实现整流功能的电力电子控制技术，其利用mosfet开通时的电阻性导通压降远小于整流二极管的正向导通压降的特性，显著降低了整流导通损耗进而提高电力电子系统效率，尤其在低压大电流应用中对系统效率提升可达20％。同步整流的关键是获得整流侧电流的过零点信息，基于此生成相应的同步整流控制信号。对于多数非谐振隔离型dc-dc变换器，通常可以基于模态分析结果利用逆变侧开关控制信号和负载条件直接得到整流侧电流信息，进而实现同步整流控制。然而，谐振变换器复杂的谐振腔结构使得其运行模态复杂，难以直接获得逆变侧开关控制信号与整流侧电流信号之间的相位关系。为此，往往需要检测额外的电压或电流信号，导致同步整流控制的实现难度和成本大幅增加。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种基于输出端信号的谐振变换器同步整流装置及控制方法，所述同步整流装置能够对采用任意一种调制策略的谐振变换器实现同步整流控制，无需额外检测电压或电流信号，仅使用谐振变换器输出电压、输出电流和主控制信号即可实现同步整流控制信号生成，消除了传统同步整流方案额外信号检测的成本和检测难度；在此基础上，所述同步整流控制方法还能够抑制由开关器件、驱动电路、数字控制器等系统固有延时导致的反向电流，提高了同步整流控制精度，尤其对于高频应用性能提升显著。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于输出端信号的谐振变换器同步整流装置，包括：次级侧电流分析模块、虚拟电流调制模块和控制信号生成模块；

4、所述次级侧电流分析模块的输入端连接谐振变换器输出电压采样信号、输出电流采样信号和虚拟电流调制模块的输出端，次级侧电流分析模块的输出端连接控制信号生成模块的输入端和虚拟电流调制模块的输入端；所述虚拟电流调制模块的输入端连接次级侧电流分析模块的输出端，所述虚拟电流调制模块的输出端连接次级侧电流分析模块的输入端；所述控制信号生成模块的输入端连接次级侧电流分析模块的输出端和初级侧控制信号，控制信号生成模块的输出端连接谐振变换器同步整流器驱动电路的输入端。

5、进一步地，所述次级侧电流分析模块包括：微分运算电路、加法运算电路a、加法运算电路b、加法运算电路c，比较器a，比较器b和比较器c；所述虚拟电流调制模块包括纹波计数器和数字控制器；所述控制信号生成模块包括与门电路a，与门电路b，非门a，非门b，rs触发器a和rs触发器b。

6、进一步地，所述微分运算电路的输入端连接谐振变换器输出电压采样信号，微分运算电路的输出端连接加法运算电路a的反向输入端；所述加法运算电路a的同相输入端连接谐振变换器输出电流采样信号，加法运算电路a的输出端连接比较器a的输出端、加法器b的同相输入端和加法器c的同相输入端；所述加法运算电路b的反向输入端连接虚拟调制模块的第一输出端，加法运算电路b的输出端连接比较器b的输入端；所述加法运算电路c的反向输入端连接虚拟调制模块的第二输出端，加法运算电路c的输出端连接比较器c的输入端；所述比较器a的输出端连接虚拟调制模块的输入端和控制信号生成模块的第一输入端；所述比较器b的输出端连接控制信号生成模块的第二输入端；所述比较器c的输出端连接控制信号生成模块的第三输入端。

7、进一步地，所述纹波计数器的第一输入端连接比较器a的输出端，纹波计数器的第二输入端连接数字控制器的第一输出端，纹波计数器的输出端连接数字控制器的输入端；所述数字控制器的第二输出端为虚拟调制模块的第一输出端，数字控制器的第三输出端为虚拟调制模块的第二输出端。

8、进一步地，所述与门电路a的第一输入端连接非门a的输出端，与门电路a的第二输入端连接初级侧控制信号，与门电路a的第三输入端为控制信号生成模块的第一输入端，与门电路a的第四输入端连接rs触发器b的反向输出端，与门电路a的输出端连接rs触发器a的s输入端；所述与门电路b的第一输入端连接非门b的输出端，与门电路b的第二输入端连接初级侧控制信号，与门电路b的第三输入端为控制信号生成模块的第一输入端，与门电路b的第四输入端连接rs触发器a的反向输出端，与门电路b的输出端连接rs触发器b的s输入端；所述非门a的输入端为控制信号生成模块的第二输入端；所述非门b的输入端为控制信号生成模块的第三输入端；所述rs触发器a的r输入端连接非门a的输入端，rs触发器a的同向输出端连接同步整流器sr1驱动电路的输入端；所述rs触发器b的r输入端连接非门b的输入端，rs触发器b的同向输出端连接同步整流器sr2驱动电路的输入端。

9、进一步地，所述次级侧电流分析模块用于判断谐振变换器次级侧电流的实时状态，并将该状态馈送至虚拟电流调制模块和控制信号生成模块；当次级侧电流存在时，应存在至少一路同步整流器被开通，反之，全部同步整流器应被关断。

10、进一步地，所述虚拟电流调制模块用于识别谐振变换器每个开关周期内是否存在反向电流，基于反向电流信息实时调制虚拟电流信号并将其馈送至次级侧电流分析模块，用以补偿谐振变换器系统内固有延时从而抑制次级侧反向电流；所述控制信号生成模块用于生成同步整流控制信号，其结合初级侧控制信号和经虚拟电流信号补偿后的次级侧电流状态信号，实现同步整流控制信号的生成。

11、进一步地，所述同步整流控制方法的运行流程为首先对谐振变换器输出电压进行微分运算，然后将输出电流与微分运算电路的输出馈送至加法器a的输入，加法器a的输出被馈送至比较器a的输入；比较器a的输出表示次级侧电流实时状态，其被视为数字信号直接馈送至与门a、与门b和虚拟电流调制模块；虚拟电流调制模块通过纹波计数器检测每个开关周期的同步整流器反向电流状态；在每个同步整流控制信号的上升沿，数字控制器读取次级侧反向电流状态并重置纹波计数器，虚拟电流信号ivirtual1和ivirtual2基于纹波计数器的状态根据虚拟电流调制方法实现调制，并被分别输出至加法器b和加法器c的反相输入端；加法器b和加法器c的输出分别表示irec_v1和irec_v2,其被分别馈送至比较器b和比较器c的输入端以实现同步整流器sr1和同步整流器sr2关断信号的生成；比较器b和比较器c的输出还分别连接非门a和非门b，非门的输出连接与门的输入，作为同步整流器的开通条件之一；与门a和与门b的输入分别对应了同步整流器sr1和同步整流器sr2的四个开通条件，除非门输出之外还包括初级侧控制信号、比较器a的输出和rs触发器的反相输输出；rs触发器用于保持同步整流器sr1和同步整流器sr2的开通或关断状态；基于上述方法，同步整流器sr1和同步整流器sr2的开通条件和关断条件被分别表示如下：

12、

13、

14、

15、其中，cout表示输出电容值，vout表示输出电压，iout表示输出电流，ivirtual表示虚拟电流，irec_v表示经虚拟电流注入后的次级侧电流，irec表示次级侧电流，q1-q4分别表示谐振变换器初级侧开关器件，sr1和sr2分别表示谐振变换器次级侧同步整流器；

16、进一步地，所述虚拟电流调制方法的调制过程为当同步整流器sr1开通时，读取次级侧电流的反向电流状态，直到同步整流器sr2开通时结束；如果有irec<0，即表示该开关周期内同步整流器流过反向电流，则减小下一个开关周期的虚拟电流；反之，增加下一个开关周期的虚拟电流；当同步整流器sr2开通时，读取次级侧电流的反向电流状态，直到同步整流器sr1开通时结束；如果有irec<0，即表示开关周期内同步整流器流过反向电流，则减小下一个开关周期的虚拟电流；反之，增加下一个开关周期的虚拟电流；虚拟电流表示为：

17、

18、其中，δi为控制器中数模转换器的最小模拟量输出，ivirtual的最小值为零。

19、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、1、本发明中提出的基于输出端信号的谐振变换器同步整流装置，能够对采用任意一种调制策略的谐振变换器实现同步整流控制，无需额外检测电压或电流信号，仅使用谐振变换器输出电压、输出电流和主控制信号即可实现同步整流控制信号生成，消除了传统同步整流方案额外信号检测的成本和检测难度，该同步整流原理基于基尔霍夫定律与主控制信号和次级侧电流间的相位关系设计，对于输出端无滤波电感的dc-dc变换器具有通用性；

21、2、本发明中提出的基于输出端信号的谐振变换器同步整流控制方法，能够抑制由开关器件、驱动电路、数字控制器等系统固有延时导致的反向电流，提高了同步整流控制精度，尤其对于高频应用性能提升显著；此外，由于主要的同步整流信号调制过程可通过模拟电路实现，可有效降低谐振变换器数字控制器的计算负担。