CN103746551A - 双向三重dc-dc变换器的电流闭环复合调节系统 - Google Patents

Abstract

双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统，属于直流变换技术领域。解决了现有电流PI调节器在软件数字化实现过程中电流幅值难以限制，导致易触发过流保护的问题。本发明在传统数字电流均值控制的基础上级联电流限幅调节器，对PWM开关信号进行再次调理：根据电流反馈值与限幅值进行比较，当电流反馈值小于电流限幅值时，PWM开关信号被直接送出到驱动电路；当电流反馈值大于电流限幅值时，当前周期的PWM开关信号被封锁，下一周期时恢复正常。本发明具体应用在直流变换领域上。

Description

双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统

技术领域

本发明属于直流变换技术领域。

背景技术

双向DC-DC变换器能够实现能量的双向流动，在电动汽车、分布式发电等领域得到了广泛应用。在大功率场合下，双向DC-DC变换器采用多重化技术，并且随着数字信号处理技术的发展，双向DC-DC变换器也向着数字化多重交错控制技术方向发展。但由于双向DC-DC变换器的两个直流端往往并联有大容量电容，尤其在高压大功率情况下，传统电流均值闭环控制方法难以实现电感电流的动态控制，容易导致过流停机，影响了其应用。

现有技术的缺陷是电流PI调节器在软件数字化实现过程中电流幅值难以限制，易触发过流保护。

发明内容

本发明是为了解决现有电流PI调节器在软件数字化实现过程中电流幅值难以限制，导致易触发过流保护的问题，本发明提供了一种双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统。

双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统，它包括双向三重DC-DC变换器，它还包括3个电流传感器、电流检测处理电路、1号减法器、2号减法器、3号减法器、电压PI调节器、PWM发生器、电流限幅调节器、驱动电路、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、单刀双掷开关、电流PI调节器、1号A/D转换器、2号A/D转换器和3号A/D转换器，

所述的电阻R1和电阻R2串联后，并联在双向三重DC-DC变换器的高压信号输入端，用于检测双向三重DC-DC变换器的高压信号输入端的端电压，电阻R3和电阻R4串联后，并联在双向三重DC-DC变换器的低压信号输出端，用于检测双向三重DC-DC变换器的低压信号输出端的端电压，电阻R1和电阻R2的连接处通过1号A/D转换器与2号减法器的减数信号输入端连接，2号减法器的被减数信号输入端用于接收高压端电压指令，电阻R3和电阻R4的连接处通过2号A/D转换器与1号减法器的减数信号输入端连接，1号减法器的被减数信号输入端用于接收低压端电压指令，电压PI调节器的电压信号输入端与单刀双掷开关的动触点连接，该单刀双掷开关的常闭静触点与2号减法器的数据信号输出端连接，该单刀双掷开关的常开静触点与或1号减法器的数据信号输出端连接，

2号减法器的数据信号输出端作为A，1号减法器的数据信号输出端作为B，

电压PI调节器的信号输出端与3号减法器的被减数信号输入端连接，

3个电流传感器分别用于检测双向三重DC-DC变换器的3个电感的电流，电流检测处理电路用于接收3个电流传感器采集的电流信号，电流检测处理电路的电流信号输出端同时与3号减法器的减数信号输入端和电流限幅调节器的电流信号输入端连接，且3号A/D转换器串联在3号减法器的减数信号输入端和电流检测处理电路的电流信号输出端之间，3号减法器的数据信号输出端与电流PI调节器的信号输入端连接，电流PI调节器的信号输出端与PWM发生器的信号输入端连接，

PWM发生器的PWM开关信号输出端与电流限幅调节器的控制信号输入端连接，所述的电流限幅调节器的控制信号输出端与驱动电路的控制信号输入端连接，驱动电路输出的驱动信号用于驱动双向三重DC-DC变换器。

所述的电流限幅调节器包括绝对值电路、取最大值电路、电流限幅比较器和FPGA，所述的绝对值电路的信号输入端为电流限幅调节器的电流信号输入端，该绝对值电路的信号输出端与取最大值电路的信号输入端连接，所述的取最大值电路的信号输出端与电流限幅比较器的正输入端连接，电流限幅比较器的负输入端用于接收参考电压信号，电流限幅比较器的信号输出端与FPGA的第一信号输入端连接，FPGA的第二信号输入端与PWM发生器的PWM开关信号输出端连接，FPGA的信号输出端为电流限幅调节器的控制信号输出端。

所述的FPGA包括锁存器和逻辑与运算单元，锁存器用于实时采样电流限幅比较器输出的信号U_OL1，并将信号U_OL1锁存后，得到信号U_OL2，锁存器在每个PWM周期起始时被复位，锁存器输出的信号U_OL2被送入到逻辑与运算单元，与PWM发生器输出的PWM开关信号进行逻辑与运算，逻辑与运算单元输出PWM'开关信号。

双向三重DC-DC变换器为现有技术，且双向三重DC-DC变换器的原理示意图参见图3，其中，X表示高压端，Y表示低压端，双向三重DC-DC变换器包括滤波电容、三相半桥功率变换电路和三个储能电感，功率管的开关信号通过控制环节产生，总体控制思路为电压外环和电流内环，其中，T₁表示1号功率开关管，T₂表示2号功率开关管，T₃表示3号功率开关管，T₄表示4号功率开关管，T₅表示5号功率开关管，T₆表示6号功率开关管，L_a表示1号电感，L_b表示2号电感，L_c表示3号电感；

双向三重DC-DC变换器的工作原理如下：

双向三重DC-DC变换器的高压端和低压端均可以作为输入端和输出端；

当高压端以电压U₁作为输入时，桥式电路中下侧功率管驱动信号被封锁，上侧功率管进行PWM斩波控制，双向三重DC-DC变换器工作在Buck电路状态，电压由U₁降为U₂；

当低压端以电压U₂作为输入时，桥式电路中上侧功率管驱动信号被封锁，下侧功率管进行PWM斩波控制，双向三重DC-DC变换器工作在Boost电路状态，电压由U₂升为U₁。功率管的驱动信号如图4所示，其中，u_m表示电流限幅调节器输出的调制波信号，u_ta表示1号电感所在支路的三角载波信号，u_tb表示2号电感所在支路的三角载波信号，u_tc表示3号电感所在支路的三角载波信号，PWM1表示1号开关管的驱动信号，PWM2表示2号功率开关管的驱动信号，PWM3表示3号功率开关管的驱动信号，PWM4表示4号功率开关管的驱动信号，PWM5表示5号功率开关管的驱动信号，PWM6表示6号功率开关管的驱动信号。

定义Buck模式时下侧功率管PWM斩波信号的占空比为D₁，则稳态下输入输出电压的关系为：

U₂=D₁·U₁；

定义Boost模式时上侧功率管PWM斩波信号的占空比为D₂，则稳态下输入输出电压的关系为：

$U_1=\frac{U_2}{1-D_2};$

在数字控制系统中，由于电流传感器检测到的连续模拟电流信号要通过3号A/D转换器转换为离散的数字信号，在一个PWM周期中仅进行一次电流采样，而双向三重DC-DC变换器中电感电流是不断变化的，因此很难获得实时的电感电流平均值作为电流反馈量参与电流闭环调节。当电感电流连续时，在一个PWM周期内电感电流波形为三角波，如图5，其中，u_tk表示支路k的三角载波信号，i_k表示k上的电流，其中k为1号电感、2号电感或3号电感，PWM表示该支路开关管的驱动信号，三角波中点值即为电感电流平均值，也是电流采样点，因此，本发明通过采样中点电流来获得电感的平均电流。在数字实现时，利用三角载波达到最小值点触发3号A/D转换器。

本发明在传统数字电流均值控制的基础上级联电流限幅调节器，对PWM开关信号进行再次调理：根据电流反馈值与限幅值进行比较，当电流反馈值小于电流限幅值时，PWM开关信号被直接送出到驱动电路；当电流反馈值大于电流限幅值时，当前周期的PWM开关信号被封锁，下一周期时恢复正常。

本发明采用电流均值控制和限幅控制相结合的复合调节方法来构建电流环，适用于数字控制的电源系统，能够提高双向三重DC-DC变换器运行的可靠性，在传统DC-DC变换器数字控制中，直接将PWM开关信号送入驱动电路中用于驱动功率管，动态过程中容易导致过流保护，本发明中在传统PWM开关信号输出之后加入电流限幅调节器，克服了电流幅值难以限制，导致的易触发过流保护的问题，因此具有很好的应用价值。

附图说明

图1为本发明所述的双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统的原理示意图；

图2为具体实施方式二所述的电流限幅调节器的原理示意图；

图3为双向三重DC-DC变换器的原理示意图；

图4为图3中1号电感所在支路、2号电感所在支路和3号电感所在支路的三角载波与对应的支路的PWM开关信号的关系图；

图5为图4中电流采样点与该采样点所对应的支路斩波工作的功率管PWM开关信号的关系图；

图6为具体实施方式三中，电流限幅调节器的工作波形示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统，它包括双向三重DC-DC变换器，它还包括3个电流传感器1、电流检测处理电路2、1号减法器3、2号减法器4、3号减法器6、电压PI调节器5、PWM发生器7、电流限幅调节器8、驱动电路9、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、单刀双掷开关、电流PI调节器10、1号A/D转换器、2号A/D转换器和3号A/D转换器，

所述的电阻R1和电阻R2串联后，并联在双向三重DC-DC变换器的高压信号输入端，用于检测双向三重DC-DC变换器的高压信号输入端的端电压，电阻R3和电阻R4串联后，并联在双向三重DC-DC变换器的低压信号输出端，用于检测双向三重DC-DC变换器的低压信号输出端的端电压，电阻R1和电阻R2的连接处通过1号A/D转换器与2号减法器4的减数信号输入端连接，2号减法器4的被减数信号输入端用于接收高压端电压指令，电阻R3和电阻R4的连接处通过2号A/D转换器与1号减法器3的减数信号输入端连接，1号减法器3的被减数信号输入端用于接收低压端电压指令，电压PI调节器5的电压信号输入端与单刀双掷开关的动触点连接，该单刀双掷开关的常闭静触点与2号减法器4的数据信号输出端连接，该单刀双掷开关的常开静触点与或1号减法器3的数据信号输出端连接，

2号减法器4的数据信号输出端作为A，1号减法器3的数据信号输出端作为B，

电压PI调节器5的信号输出端与3号减法器6的被减数信号输入端连接，

3个电流传感器1分别用于检测双向三重DC-DC变换器的3个电感的电流，电流检测处理电路2用于接收3个电流传感器1采集的电流信号，电流检测处理电路2的电流信号输出端同时与3号减法器6的减数信号输入端和电流限幅调节器8的电流信号输入端连接，且3号A/D转换器串联在3号减法器6的减数信号输入端和电流检测处理电路2的电流信号输出端之间，3号减法器6的数据信号输出端与电流PI调节器10的信号输入端连接，电流PI调节器10的信号输出端与PWM发生器7的信号输入端连接，

PWM发生器7的PWM开关信号输出端与电流限幅调节器8的控制信号输入端连接，所述的电流限幅调节器8的控制信号输出端与驱动电路9的控制信号输入端连接，驱动电路9输出的驱动信号用于驱动双向三重DC-DC变换器。

双向三重DC-DC变换器为现有技术，且双向三重DC-DC变换器的原理示意图参见图3，双向三重DC-DC变换器包括滤波电容、三相半桥功率变换电路和三个储能电感，功率管的开关信号通过控制环节产生，总体控制思路为电压外环和电流内环，其中，T₁表示1号功率开关管，T₂表示2号功率开关管，T₃表示3号功率开关管，T₄表示4号功率开关管，T₅表示5号功率开关管，T₆表示6号功率开关管，L_a表示1号电感，L_b表示2号电感，L_c表示3号电感；

当要实现升压变换时，电能由双向三重DC-DC变换器的低压端流向其高压端，电压PI调节器5的电压信号输入端接到A处，电压环为高压端电压闭环控制，实现高压端的稳压输出，此时双向三重DC-DC变换器工作在Boost升压状态；

当要实现降压变换时，电能由双向三重DC-DC变换器的高压端流向其低压端，电压PI调节器5的电压信号输入端接到B处，电压环为低压端电压闭环控制，实现低压端的稳压输出，此时双向三重DC-DC变换器工作在Buck降压状态。

无论双向三重DC-DC变换器工作在升压或降压状态，电流内环指令均来自于电压PI调节器5的输出，并且与检测电流相比较，经过电流PI调节器10得到占空比，在PWM发生器7中与高频三角载波比较产生PWM开关信号。

具体实施方式二：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统的区别在于，所述的电流限幅调节器8包括绝对值电路8-1、取最大值电路8-2、电流限幅比较器8-3和FPGA8-4，所述的绝对值电路8-1的信号输入端为电流限幅调节器8的电流信号输入端，该绝对值电路8-1的信号输出端与取最大值电路8-2的信号输入端连接，所述的取最大值电路8-2的信号输出端与电流限幅比较器8-3的正输入端连接，电流限幅比较器8-3的负输入端用于接收参考电压信号，电流限幅比较器8-3的信号输出端与FPGA8-4的第一信号输入端连接，FPGA8-4的第二信号输入端与PWM发生器7的PWM开关信号输出端连接，FPGA8-4的信号输出端为电流限幅调节器8的控制信号输出端。

具体实施方式三：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的所述的双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统的区别在于，所述的FPGA8-4包括锁存器和逻辑与运算单元，锁存器用于实时采样电流限幅比较器8-3输出的信号U_OL1，

并将信号U_OL1锁存后，得到信号U_OL2，锁存器在每个PWM周期起始时被复位，锁存器输出的信号U_OL2被送入到逻辑与运算单元，与PWM发生器7输出的PWM开关信号进行逻辑与运算，逻辑与运算单元输出PWM'开关信号。

本实施方式中，电流限幅调节器8的工作波形示意图，具体参见图6，其中，CLK表示与PWM信号同步的时钟信号，u_tk表示支路k的三角载波信号，i_th表示限流值，i_k表示支路k电感电流，

电流限幅比较器8-3接收的电流信号幅值小于限流值时，信号U_OL1为1，PWM'开关信号等于PWM开关信号，

电流限幅比较器8-3接收的电流信号幅值大于或等于限流值时，信号U_OL1为0，在下一周期之前U_OL2为0，PWM'开关信号等于0，PWM开关信号被禁止，直到下一周期起始时锁存器被复位。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三所述的所述的双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统的区别在于，所述的1号减法器3、2号减法器4、电压PI调节器5、3号减法器6、电流PI调节器10和PWM发生器7均采用DSP实现。

本实施方式中，由电阻R1和电阻R2检测双向三重DC-DC变换器的高压信号输入端的端电压，由电阻R3和电阻R4检测双向三重DC-DC变换器的低压信号输出端的端电压，以及由电流传感器1和电流检测处理电路2检测到的电感电流，分别通过1号A/D转换器、2号A/D转换器和3号A/D转换器转化为数字量。

Claims (4)

1.双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统，它包括双向三重DC-DC变换器，其特征在于，它还包括3个电流传感器（1）、电流检测处理电路（2）、1号减法器（3）、2号减法器（4）、3号减法器（6）、电压PI调节器（5）、PWM发生器（7）、电流限幅调节器（8）、驱动电路（9）、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、单刀双掷开关、电流PI调节器（10）、1号A/D转换器、2号A/D转换器和3号A/D转换器，

所述的电阻R1和电阻R2串联后，并联在双向三重DC-DC变换器的高压信号输入端，用于检测双向三重DC-DC变换器的高压信号输入端的端电压，电阻R3和电阻R4串联后，并联在双向三重DC-DC变换器的低压信号输出端，用于检测双向三重DC-DC变换器的低压信号输出端的端电压，电阻R1和电阻R2的连接处通过1号A/D转换器与2号减法器（4）的减数信号输入端连接，2号减法器（4）的被减数信号输入端用于接收高压端电压指令，电阻R3和电阻R4的连接处通过2号A/D转换器与1号减法器（3）的减数信号输入端连接，1号减法器（3）的被减数信号输入端用于接收低压端电压指令，电压PI调节器（5）的电压信号输入端与单刀双掷开关的动触点连接，该单刀双掷开关的常闭静触点与2号减法器（4）的数据信号输出端连接，该单刀双掷开关的常开静触点与或1号减法器（3）的数据信号输出端连接，

2号减法器（4）的数据信号输出端作为A，1号减法器（3）的数据信号输出端作为B，

电压PI调节器（5）的信号输出端与3号减法器（6）的被减数信号输入端连接，

3个电流传感器（1）分别用于检测双向三重DC-DC变换器的3个电感的电流，电流检测处理电路（2）用于接收3个电流传感器（1）采集的电流信号，电流检测处理电路（2）的电流信号输出端同时与3号减法器（6）的减数信号输入端和电流限幅调节器（8）的电流信号输入端连接，且3号A/D转换器串联在3号减法器（6）的减数信号输入端和电流检测处理电路（2）的电流信号输出端之间，3号减法器（6）的数据信号输出端与电流PI调节器（10）的信号输入端连接，电流PI调节器（10）的信号输出端与PWM发生器（7）的信号输入端连接，

PWM发生器（7）的PWM开关信号输出端与电流限幅调节器（8）的控制信号输入端连接，所述的电流限幅调节器（8）的控制信号输出端与驱动电路（9）的控制信号输入端连接，驱动电路（9）输出的驱动信号用于驱动双向三重DC-DC变换器。

2.根据权利要求1所述的双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统，其特征在于，所述的电流限幅调节器（8）包括绝对值电路（8-1）、取最大值电路（8-2）、电流限幅比较器（8-3）和FPGA（8-4），所述的绝对值电路（8-1）的信号输入端为电流限幅调节器（8）的电流信号输入端，该绝对值电路（8-1）的信号输出端与取最大值电路（8-2）的信号输入端连接，所述的取最大值电路（8-2）的信号输出端与电流限幅比较器（8-3）的正输入端连接，电流限幅比较器（8-3）的负输入端用于接收参考电压信号，电流限幅比较器（8-3）的信号输出端与FPGA（8-4）的第一信号输入端连接，FPGA（8-4）的第二信号输入端与PWM发生器（7）的PWM开关信号输出端连接，FPGA（8-4）的信号输出端为电流限幅调节器（8）的控制信号输出端。

3.根据权利要求2所述的双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统，其特征在于，所述的FPGA（8-4）包括锁存器和逻辑与运算单元，锁存器用于实时采样电流限幅比较器（8-3）输出的信号U_OL1，并将信号U_OL1锁存后，得到信号U_OL2，锁存器在每个PWM周期起始时被复位，锁存器输出的信号U_OL2被送入到逻辑与运算单元，与PWM发生器（7）输出的PWM开关信号进行逻辑与运算，逻辑与运算单元输出PWM'开关信号。

4.根据权利要求1、2或3所述的双向三重DC-DC变换器的电流闭环复合调节系统，其特征在于，所述的1号减法器（3）、2号减法器（4）、电压PI调节器（5）、3号减法器（6）、电流PI调节器（10）和PWM发生器（7）均采用DSP实现。

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