CN103378728A - 一种用于双向恒压的dc/dc及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于双向恒压的DC/DC,包括驱动模块,驱动模块包括第一开关单元、第二开关单元、第一电容、第二电容和电感,第一开关单元第一端与第一电源第一端相连,第一开关单元第二端分别与电感第一端、第二开关单元第一端相连,电感第二端与第二电源第一端相连,第二电源第二端与第二开关单元第二端、第一电源第二端相连,第一电容并接在第一电源两端,第二电容并接在第二电源两端;采样模块,采集电感电流,第一电源侧电压或第二电源侧电压;控制模块,根据目标电压,电感电流和第一电源侧电压或第二电源侧电电压,调节第一开关单元和第二开关单元占空比,且通过控制第一开关单元和第二开关单元互补导通方式实现双向恒压。本发明简化了双向恒压控制方法。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种用于双向恒压的DC/DC及其控制方法。
背景技术
现有用于双向恒压的直流转直流电源(DC/DC),一般需要通过切换驱动模块的恒压模式以及复杂的控制方法才能实现恒压,如图1的驱动模块的电路图所示,现有用于双向恒压的DC/DC包括两种恒压模式,即供能模式和储能模式,以需要恒定低压侧电压为例,在供能模式下,即电流由高压侧UHigh流向低压侧ULow,软件仅控制IGBT的上桥臂T1,下桥臂T2在恒压过程中保持截止,当T1截止时,通过T2的续流二极管D2进行续流;在储能模式下,即电流由低压侧ULow流向高压侧UHigh,软件仅控制IGBT的下桥臂T2,上桥臂T1在恒压过程中保持截止,当T2截止时,通过T1的续流二极管D1进行续流。
上述现有的用于双向恒压的DC/DC存在以下缺陷:
1)DC/DC通过控制单个IGBT桥臂(T1或T2)的占空比实现恒压,导致DC/DC输出电压、输出功率较小时,电感L在IGBT桥臂导通时储存的能量较少,不足以支持负载IGBT桥臂关断、二极管续流时对能量的需求,从而导致在控制的IGBT桥臂关断时电感电流会出现持续为0安的情况,即电感电流存在断续的情况。电感电流断续会影响到软件的恒压控制,使DC/DC输出电压纹波变大;
2)在恒压模式切换的过程中,软件需要在保持输出电压稳定的同时对电流大小和电压的变化进行判断,待条件符合后再切换到对应的恒压模式。切换过程中,不仅需要判断输出电压的变化趋势,还需要分析确定电流大小为0后才能切换到对应运行模式,否则输出电压会产生很大的波动。由于需要设计相应的算法用于对恒压模式的切换进行判断和控制, 这就增加了软件的算法复杂度。
发明内容
本发明为解决现有用于双向恒压的DC/DC存在的上述技术问题,提供了一种简便的用于双向恒压的DC/DC及其控制方法,能够提高DC/DC的稳定性和可靠性。
本发明的技术方案是:
一种用于双向恒压的DC/DC, 包括:
驱动模块,所述驱动模块包括第一开关单元、第二开关单元、第一电容、第二电容和电感,所述第一开关单元的第一端与第一电源的第一端相连,第一开关单元的第二端分别与电感的第一端、第二开关单元的第一端相连,电感的第二端与第二电源的第一端相连,第二电源的第二端分别与第二开关单元的第二端、第一电源的第二端相连,所述第一电容并接在第一电源的两端,第二电容并接在第二电源的两端,其中第一电源提供的电压大于第二电源提供的电压,且第一电源的第二端极性和第二电源的第二端的极性相同;
采样模块,用于采集电感电流,以及采集第一电源侧的电压或第二电源侧的电压;以及
控制模块,用于根据目标电压,采样模块采集的电感电流以及第一电源侧的电压或第二电源侧的电压,调节第一开关单元和第二开关单元的占空比,且通过控制第一开关单元和第二开关单元互补导通的方式实现双向恒压。
一种用于双向恒压的DC/DC的控制方法,所述用于双向恒压的DC/DC包括采样模块、控制模块和驱动模块,所述驱动模块包括第一开关单元、第二开关单元、第一电容、第二电容和电感,所述第一开关单元的第一端与第一电源的第一端相连,第一开关单元的第二端分别与电感的第一端、第二开关单元的第一端相连,电感的第二端与第二电源的第一端相连,第二电源的第二端分别与第二开关单元的第二端、第一电源的第二端相连,所述第一电容并接在第一电源的两端,第二电容并接在第二电源的两端,第一电源提供的电压大于第二电源提供的电压,且第一电源的第二端极性和第二电源的第二端的极性相同,所述用于双向恒压的DC/DC的控制方法包括以下步骤:
步骤S1:采样模块采集电感电流,以及采集第一电源侧的电压或第二电源侧的电压;
步骤S2:控制模块根据目标电压,采样模块采集的电感电流以及第一电源侧的电压或第二电源侧的电压,调节第一开关单元和第二开关单元的占空比,且通过控制第一开关单元和第二开关单元互补导通的方式实现双向恒压。
一种用于双向恒压的DC/DC及其控制方法,由于通过控制模块根据目标电压,采样模块采集的电感电流以及第一电源侧的电压或第二电源侧的电压,调节第一开关单元和第二开关单元的占空比,且通过控制第一开关单元和第二开关单元互补导通的方式实现双向恒压,使得本发明通过调节互补导通的第一开关单元和第二开关单元的占空比便可实现电流的切换,从而简化了双向恒压控制方法,提高了DC/DC的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为现有DC/DC的驱动模块电路图。
图2为本发明用于双向恒压的DC/DC提供的一实施例的结构框图。
图3为本发明外环调节和内环调节的原理图。
图4为本发明用于双向恒压的DC/DC的控制方法提供的一实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明发明人发现,现有用于双向恒压的DC/DC(如图1所示)存在以下缺陷:1)DC/DC通过控制单个IGBT桥臂(T1或T2)的占空比实现恒压,导致DC/DC输出电压、输出功率较小时,电感L在IGBT桥臂导通时储存的能量较少,不足以支持负载IGBT桥臂关断、二极管续流时对能量的需求,从而导致在控制的IGBT桥臂关断时电感电流会出现持续为0安的情况,即电感电流存在断续的情况。电感电流断续会影响到软件的恒压控制,使DC/DC输出电压纹波变大;2)在恒压模式切换的过程中,软件需要在保持输出电压稳定的同时对电流大小和电压的变化进行判断,待条件符合后再切换到对应的恒压模式。切换过程中,不仅需要判断输出电压的变化趋势,还需要分析电流大小为0后才能切换到对应运行模式,否则输出电压会产生很大的波动。由于需要设计相应的算法用于对恒压模式的切换进行判断和控制, 这就增加了软件的算法复杂度。
为了解决现有用于双向恒压的DC/DC存在的上述缺陷,本发明的发明人经过自己创造性地劳动,终于提出了一种用于双向恒压的DC/DC,如图2所示,该用于双向恒压的DC/DC包括:
驱动模块3,所述驱动模块3包括第一开关单元31、第二开关单元32、第一电容C1、第二电容C2和电感L,所述第一开关单元31的第一端与第一电源1的第一端相连,第一开关单元31的第二端分别与电感L的第一端、第二开关单元32的第一端相连,电感L的第二端分别与第二电源2的第一端相连,第二电源2的第二端分别与第二开关单元32的第二端、第一电源1的第二端相连,所述第一电容C1并接在第一电源1的两端,第二电容C2并接在第二电源2的两端,其中第一电源1提供的电压大于第二电源2提供的电压,且第一电源1的第二端极性和第二电源2的第二端的极性相同;
采样模块4,用于采集当前电感电流(可以理解的是,此电感电流是指在采样模块4在电感L的第一端采集的电流或在电感L的第二端采集的电流),以及采集第一电源1侧的电压或第二电源2侧的电压;以及
控制模块5,用于根据目标电压,采样模块4采集的电感电流以及第一电源1侧的电压或第二电源2侧的电压,调节第一开关单元31和第二开关单元32的占空比,且通过控制第一开关单元31和第二开关单元32互补导通的方式实现双向恒压。
可以理解的是,上述第一开关单元31和第二开关单元32是具有开关特性的器件,例如,其可为MOS管或IGBT管,当然,所述第一开关单元31、第二开关单元32还可以为其它任一具有开关特性且能够实现上述功能的器件,在此不一一进行介绍。
本发明的发明人还提供了相应的一种用于双向恒压的DC/DC的控制方法,所述用于双向恒压的DC/DC包括采样模块、控制模块和驱动模块,所述驱动模块包括第一开关单元、第二开关单元、第一电容、第二电容和电感,所述第一开关单元的第一端与第一电源的第一端相连,第一开关单元的第二端分别与电感的第一端、第二开关单元的第一端相连,电感的第二端分别与第二电源的第一端相连,第二电源的第二端分别与第二开关单元的第二端、第一电源的第二端相连,所述第一电容并接在第一电源的两端,第二电容并接在第二电源的两端,第一电源提供的电压大于第二电源提供的电压,且第一电源的第二端极性和第二电源的第二端的极性相同,其中,所述用于双向恒压的DC/DC的控制方法包括以下步骤:
步骤S1:采样模块采集电感电流,以及采集第一电源侧的电压或第二电源侧的电压;
步骤S2:控制模块根据目标电压,采样模块采集的电感电流以及第一电源侧的电压或第二电源侧的电压,调节第一开关单元和第二开关单元的占空比,且通过控制第一开关单元和第二开关单元互补导通的方式实现双向恒压。
在此需说明的是,本发明的用于双向恒压的DC/DC及其控制方法,其需要恒定的目标电压即可为第一电源侧的电压,也可以为第二电源侧的电压,其主要是根据用户的需要来确定的,因此根据用户的不同需要,上述步骤S2的具体实现过程如下:
当需要恒定的目标电压为第二电源侧的电压时,所述步骤S2具体包括以下步骤:
步骤A1:控制模块根据目标电压V2和采样模块采集的第二电源侧的电压V1计算当前外环输入值OuterPIin,OuterPIin=V2 -V1 ;
步骤A2:根据当前外环输入值OuterPIin计算当前外环的比例项P和当前外环的积分项I,并计算当前外环输出值OuterPIout,P=OuterPIin*Kp1,I=OuterPIin*Ki1 +△x ,OuterPIout=P+I,其中△x为上一次外环的积分项,且其初始值为0;
步骤A3:控制模块根据当前外环输出值OuterPIout和采样模块采集的当前电感电流IL1计算当前内环输入值InnerPIin,InnerPIin=OuterPIout - IL1;
步骤A4:根据当前内环输入值InnerPIin计算当前内环的比例项P′和当前内环的积分项I′,并计算当前内环输出值InnerPIout,P′= InnerPIin*Kp2,I′=InnerPIin*Ki2 +△y ,InnerPIout=P′+I′,其中△y为上一次内环的积分项,且其初始值为0;
步骤A5:根据当前内环输出值InnerPIout控制第一开关单元和第二开关单元的占空比,所述第一开关单元的占空比为InnerPIout/K,第二开关单元的占空比为1-InnerPIout/K。
其中,Kp1为外环比例系数,Kp2为内环比例系数,Ki1为外环积分系数,Ki2为内环积分系数,K为占空比系数。
当需要恒定的目标电压为第一电源侧的电压时,所述步骤S2具体包括以下步骤:
步骤B1:控制模块根据目标电压V2和采样模块采集的第一电源侧的电压V1计算当前外环输入值OuterPIin,OuterPIin=V2 -V1 ;
步骤B2:根据当前外环输入值OuterPIin计算当前外环的比例项P和当前外环的积分项I,并计算当前外环输出值OuterPIout,P=OuterPIin*Kp1,I=OuterPIin*Ki1 +△x ,OuterPIout=P+I,其中△x为上一次外环的积分项,且其初始值为0;
步骤B3:控制模块根据当前外环输出值OuterPIout和采样模块采集的当前电感电流IL1计算当前内环输入值InnerPIin,InnerPIin=OuterPIout - IL1;
步骤B4:根据当前内环输入值InnerPIin计算当前内环的比例项P′和当前内环的积分项I′,并计算当前内环输出值InnerPIout,P′= InnerPIin*Kp2,I′=InnerPIin*Ki2 +△y ,InnerPIout=P′+I′,其中△y为上一次内环的积分项,且其初始值为0;
步骤B5:根据当前内环输出值InnerPIout控制第一开关单元和第二开关单元的占空比,所述第二开关单元的占空比为InnerPIout/K,第一开关单元的占空比为1-InnerPIout/K。
其中,Kp1为外环比例系数,Kp2为内环比例系数,Ki1为外环积分系数,Ki2为内环积分系数,K为占空比系数。
为了更好地理解本发明的技术方案,下面对部分技术名词进行解释(一并参阅图3):
外环:外环调节的目标为用户给定的(第一电源侧或第二电源侧)恒压目标值,调节的对象为(第一电源侧或第二电源侧)电压采样值;
内环:内环调节的目标为外环得到的输出值,调节的对象为电感电流采样值。
在此需说明的是,上述外环比例系数Kp1、内环比例系数Kp2、外环积分系数Ki1、内环积分系数Ki2以及系数K,其具体取值主要与用于双向恒压的DC/DC内部的芯片以及其它硬件参数有关,例如,可最先确认系数K,系数K需要根据应用芯片支持的运算位数进行选择,其可选为应用芯片支持的运算位数的一半,如芯片支持32位的,可以将系数K设置为216(65536)。其次,外环比例系数Kp1、内环比例系数Kp2、外环积分系数Ki1、内环积分系数Ki2主要根据用于双向恒压的DC/DC实际应用的工况整定得到,整定的方法会随工况而变化,此处不进行一一列举。基本的整定原则为:先整定外环系数,再整定内环系数;先整定比例系数Kp,再整定积分系数Ki。
在此需说明的是,上述第一电源和第二电源是指能够供能和储能的能源设备,例如其可为恒压源,电池等,另外,上述第一电源和第二电源分别存在于不同的工作状态,即不出现在同一工作状态提供电能或存储电能,例如,当需要恒定的目标电压V2为第一电源侧的电压时,第二电源工作(用来供能或储能),而此时的第一电源则不存在,此时其第一电源侧则为负载或恒流源;同理,当需要恒定的目标电压V2为第二电源侧的电压时,第一电源工作(用来供能或储能),而此时的第二电源则不存在,此时其第二电源侧则为负载或恒流源。为了让本领域的技术人员更好地理解并实施本发明,下面以具体实施例(该实施中,用户需要恒定的电压为第二电源侧的电压)的方式对本发明进行具体叙述。
如图4的用于双向恒压的DC/DC的控制方法提供的一实施例的流程图所示,用于双向恒压的DC/DC的控制方法包括以下步骤:
步骤41:采样模块采集当前电感电流IL1,以及采集当前第二电源侧的电压V1;
步骤42:控制模块根据目标电压V2和采样模块采集的第二电源侧的电压V1计算当前外环输入值OuterPIin,OuterPIin=V2 -V1 ;
步骤43:根据当前外环输入值OuterPIin计算当前外环的比例项P和当前外环的积分项I,并计算当前外环输出值OuterPIout,P=OuterPIin*Kp1,I=OuterPIin*Ki1 +△x ,OuterPIout=P+I,其中△x为上一次外环的积分项,且其初始值为0;
步骤44:控制模块根据当前外环输出值OuterPIout和采样模块采集的当前电感电流IL1计算当前内环输入值InnerPIin,InnerPIin=OuterPIout - IL1;
步骤45:根据当前内环输入值InnerPIin计算当前内环的比例项P′和当前内环的积分项I′,并计算当前内环输出值InnerPIout,P′= InnerPIin*Kp2,I′=InnerPIin*Ki2 +△y ,InnerPIout=P′+I′,其中△y为上一次内环的积分项,且其初始值为0;
步骤46:根据当前内环输出值InnerPIout控制第一开关单元和第二开关单元的占空比,所述第一开关单元的占空比为InnerPIout/K,第二开关单元的占空比为1-InnerPIout/K。
可以理解的是,在具体实施中,用户可以根据实际需要设置一定的采样周期,上述步骤41-步骤46可以按照设置的采样周期循环执行,从而更好地实现双向恒流功能。
其中,Kp1为外环比例系数,Kp2为内环比例系数,Ki1为外环积分系数,Ki2为内环积分系数,K为占空比系数。
在此需说明的是,本实施例的参数Kp1、Kp2、Ki1、Ki2和K,其具体取值参照上述说明。
该实施例的用于双向恒压的DC/DC的控制方法,通过调节互补导通的第一开关单元和第二开关单元的占空比便可实现电流的切换,从而简化了双向恒压控制方法,提高了DC/DC的稳定性和可靠性;而且由于采用了双环控制(包括外环控制和内环控制),因此可以抑制输出电压的纹波并提高动态响应速度,从而增强了DC/DC的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于双向恒压的DC/DC, 其特征在于,包括:
驱动模块,所述驱动模块包括第一开关单元、第二开关单元、第一电容、第二电容和电感,所述第一开关单元的第一端与第一电源的第一端相连,第一开关单元的第二端分别与电感的第一端、第二开关单元的第一端相连,电感的第二端与第二电源的第一端相连,第二电源的第二端分别与第二开关单元的第二端、第一电源的第二端相连,所述第一电容并接在第一电源的两端,第二电容并接在第二电源的两端,其中第一电源提供的电压大于第二电源提供的电压,且第一电源的第二端极性和第二电源的第二端的极性相同;
采样模块,用于采集电感电流,以及采集第一电源侧的电压或第二电源侧的电压;以及
控制模块,用于根据目标电压,采样模块采集的电感电流以及第一电源侧的电压或第二电源侧的电压,调节第一开关单元和第二开关单元的占空比,且通过控制第一开关单元和第二开关单元互补导通的方式实现双向恒压。
2.根据权利要求1所述的用于双向恒压的DC/DC,其特征在于,所述第一开关单元为MOS管或IGBT管。
3.根据权利要求1或2所述的用于双向恒压的DC/DC,其特征在于,所述第二开关单元为MOS管或IGBT管。
4.一种用于双向恒压的DC/DC的控制方法,其特征在于,所述用于双向恒压的DC/DC包括采样模块、控制模块和驱动模块,所述驱动模块包括第一开关单元、第二开关单元、第一电容、第二电容和电感,所述第一开关单元的第一端与第一电源的第一端相连,第一开关单元的第二端分别与电感的第一端、第二开关单元的第一端相连,电感的第二端与第二电源的第一端相连,第二电源的第二端分别与第二开关单元的第二端、第一电源的第二端相连,所述第一电容并接在第一电源的两端,第二电容并接在第二电源的两端,第一电源提供的电压大于第二电源提供的电压,且第一电源的第二端极性和第二电源的第二端的极性相同,所述用于双向恒压的DC/DC的控制方法包括以下步骤:
步骤S1:采样模块采集电感电流,以及采集第一电源侧的电压或第二电源侧的电压;
步骤S2:控制模块根据目标电压,采样模块采集的电感电流以及第一电源侧的电压或第二电源侧的电压,调节第一开关单元和第二开关单元的占空比,且通过控制第一开关单元和第二开关单元互补导通的方式实现双向恒压。
5.根据权利要求4所述的用于双向恒压的DC/DC的控制方法,其特征在于,当需要恒定的目标电压为第二电源侧的电压时,所述步骤S2具体包括以下步骤:
步骤A1:控制模块根据目标电压V2和采样模块采集的第二电源侧的电压V1计算当前外环输入值OuterPIin,OuterPIin=V2 -V1 ;
步骤A2:根据当前外环输入值OuterPIin计算当前外环的比例项P和当前外环的积分项I,并计算当前外环输出值OuterPIout,P=OuterPIin*Kp1,I=OuterPIin*Ki1 +△x ,OuterPIout=P+I,其中△x为上一次外环的积分项,且其初始值为0;
步骤A3:控制模块根据当前外环输出值OuterPIout和采样模块采集的当前电感电流IL1计算当前内环输入值InnerPIin,InnerPIin=OuterPIout - IL1;
步骤A4:根据当前内环输入值InnerPIin计算当前内环的比例项P′和当前内环的积分项I′,并计算当前内环输出值InnerPIout,P′= InnerPIin*Kp2,I′=InnerPIin*Ki2 +△y ,InnerPIout=P′+I′,其中△y为上一次内环的积分项,且其初始值为0;
步骤A5:根据当前内环输出值InnerPIout控制第一开关单元和第二开关单元的占空比,所述第一开关单元的占空比为InnerPIout/K,第二开关单元的占空比为1-InnerPIout/K;
其中,Kp1为外环比例系数,Kp2为内环比例系数,Ki1为外环积分系数,Ki2为内环积分系数,K为占空比系数。
6.根据权利要求4所述的用于双向恒压的DC/DC的控制方法,其特征在于,当需要恒定的目标电压为第一电源侧的电压时,所述步骤S2具体包括以下步骤:
步骤B1:控制模块根据目标电压V2和采样模块采集的第一电源侧的电压V1计算当前外环输入值OuterPIin,OuterPIin=V2 -V1 ;
步骤B2:根据当前外环输入值OuterPIin计算当前外环的比例项P和当前外环的积分项I,并计算当前外环输出值OuterPIout,P=OuterPIin*Kp1,I=OuterPIin*Ki1 +△x ,OuterPIout=P+I,其中△x为上一次外环的积分项,且其初始值为0;
步骤B3:控制模块根据当前外环输出值OuterPIout和采样模块采集的当前电感电流IL1计算当前内环输入值InnerPIin,InnerPIin=OuterPIout - IL1;
步骤B4:根据当前内环输入值InnerPIin计算当前内环的比例项P′和当前内环的积分项I′,并计算当前内环输出值InnerPIout,P′= InnerPIin*Kp2,I′=InnerPIin*Ki2 +△y ,InnerPIout=P′+I′,其中△y为上一次内环的积分项,且其初始值为0;
步骤B5:根据当前内环输出值InnerPIout控制第一开关单元和第二开关单元的占空比,所述第二开关单元的占空比为InnerPIout/K,第一开关单元的占空比为1-InnerPIout/K;
其中,Kp1为外环比例系数,Kp2为内环比例系数,Ki1为外环积分系数,Ki2为内环积分系数,K为占空比系数。
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