CN105048821B - 提高全桥隔离dc‑dc变换器输出电压动态响应的负载电流前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高全桥隔离DC‑DC变换器输出电压动态响应的负载电流前馈控制方法，首先建立了相移控制量D的数学描述，通过数据采集模块（01）得到变换器的输出电压值U _o以及输出电流i _o，将输出电压实际值U _o与其给定值U ^* _o的误差通过电压外环PI模块（02）获得虚拟输出电压给定值U ^* _p，由输出电压、输出电流、输出电压给定值和虚拟输出电压给定值建立前馈控制模型，经过相移控制量计算模块（03）得到相移控制量D，再由调制模块（04）得到开关控制信号，实现全桥隔离DC‑DC变换器的控制，该前馈控制方法能有效提高变换器对负载突变时输出电压的动态响应速度。

Description

提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态响应的负载电流前 馈控制方法

技术领域

本发明涉及全桥隔离DC-DC变换器(包含多电平全桥隔离DC-DC变换器)的控制系统设计与制造领域。

背景技术

随着新能源变流技术的迅速发展，全桥隔离DC-DC变换器因其具有电气隔离、功率密度高、能量能双向流动以及模块级联容易等优点已实现了广泛的应用。在光伏发电、风能发电等分布式发电系统以及微网区域能量管理系统中，全桥隔离DC-DC变换器可以用于解决能量储存以及功率流平衡等问题。近年来，全桥隔离DC-DC变换器也成为了电动汽车能源变换系统中常用的变换器拓扑之一。

在全桥隔离DC-DC变换器应用中，相移控制成为了典型应用的控制方法，传统相移控制能完成功率的双向流动，且控制算法简单，特别是在变换器两端电压相等的情况下，传统相移控制方法能够产生较小的电流应力。众所周知，动态性能也是衡量一个变换器控制系统的重要指标，纵观已有资料，关于全桥隔离DC/DC变换器动态特性改良的方法还比较缺乏。基于单相移控制方法，有文献提出了电感电流边界控制方法，该种方法可以显著提高全桥隔离DC-DC变换器对负载切换的动态响应速度，但该控制方法运算过于复杂，且需要多达5个霍尔传感器，这增加了变换器系统的软件和硬件设计成本。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明以单相移控制方法为例，给出了一种提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态性能的负载电流前馈控制方法。目的是提供一种在负载突变时具有快速动态响应的控制方法。该电流前馈控制方法能够显著提高变换器对负载突变时的动态响应性能，且只需要增加1个负载电流传感器。

本发明实现其发明目的是通过如下技术方案实现的。

一种提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态响应的负载电流前馈控制方法，用于提高全桥隔离DC-DC变换器在负载突变时的动态响应速度，实现输出电压在负载电阻发生突变时维持恒定；包含如下步骤：

1)数据采集模块01采集输出电压实际值U_o以及输出电流i_o,并将输出电压实际值U_o与输出电压给定值U^* _o的误差通过外环电压PI模块02得到虚拟输出电压给定值U^* _p；

2)相移控制量计算模块03结合输出电压实际值U_o、输出电压给定值U^* _o、虚拟输出电压给定值U^* _p和输出电流i_o为输入量，经前馈控制模型，计算出相移控制方法的相移控制量D；

所述前馈控制模型在单相移控制时表达为：

3)调制模块04生成脉冲控制信号，步骤2)所得相移控制量生成对应的全桥隔离DC-DC变换器开关器件的脉冲控制信号；实现全桥隔离DC-DC变换器的控制。

本发明控制方法，通过建立相移控制量基于输出电压、虚拟输出电压给定值、输出电压给定值和输出电流的数学模型，实现电流前馈控制，求解出相移控制量，从而生成开关控制信号，完成全桥隔离DC-DC变换器的控制。单相移控制方法下，其前馈控制模型的建立过程如下：

全桥隔离DC-DC变换器输出功率P可表示为式(1)

其中：D为全桥隔离DC-DC变换器控制相移控制量，U_in为输入电压，U_o为输出电压实际值，L为等效电感值，T_s为开关周期，n为变压器变比。

考虑到特定的变换器系统电感值L、变压器变比n以及电流前馈控制方法中开关周期T_s基本稳定不变，且暂不考虑输入电压突变的情况，则全桥隔离DC/DC变换器的输出功率可以进一步表示为式

根据式(2)，则相移控制量D可表示为

在本发明中输出功率值p可表示为

其中，U^* _p为虚拟输出电压给定值，为PI控制器输出值；i^* _o为输出电流给定值，在负载恒定情况下，电流i^* _o可以表示为

其中，U^* _o为输出电压给定值，U_o为输出电压实际值，i_o为输出电流。

结合式(3)、(4)和(5)，相移控制量D可进一步表示为

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)、输出电压对负载电阻突变的响应时间几乎为零，能显著提高变换器输出的动态性能。

2)、相对于已有的电感电流边界控制方法，减少了3个霍尔传感器，仅仅需要2个霍尔传感器。

3)、不需要准确的电感参数，这增加了控制方法的可移植性和兼容性。

4)、具有较高的通用性，同样适合全桥隔离DC-DC变换器的其相移控制方法。

附图说明

图1实现全桥隔离DC-DC变换器的负载电流前馈控制方法的系统框图

图2单相移控制方法波形示意图。

图3负载电阻由20Ω突变到15Ω，全桥隔离DC-DC变换器的负载电流前馈控制方法的实验波形图。

图4负载电阻由15Ω突变到20Ω，全桥隔离DC-DC变换器的负载电流前馈控制方法的实验波形图。

图5辅助电感L为1.5mH时，在负载突增和突减情况下，负载电流前馈控制方法对应的全桥隔离DC-DC变换器实验波形图。

图6辅助电感L为1.75mH时，在负载突增和突减情况下，负载电流前馈控制方法对应的全桥隔离DC-DC变换器实验波形图。

具体实施方式

下面结合本发明的技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

以单相移控制方法为例，本发明提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态性能的负载电流前馈控制方法的系统框图如图1所示。其中，全桥隔离DC/DC变换器由两个全桥变换器组成，一个辅助电感，两个电容，一个高频隔离变压器组成。其中，n为变压器变比；C₁、C₂分别为电源侧支撑电容和负载侧支撑电容；U_in为电源侧电压值；L_r为辅助电感值；i_o、U_o分别为输出电流和负载侧电压；U_ab、U_cd分别为变压器原边H桥输入电压和副边输出电压；R为变换器等效负载；两个全桥变换器由8个开关管组成，开关管的驱动脉冲分别为S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈。

每个控制周期开始，控制系统通过数据采集模块01采集输入电压U_in和输出电流i_o，输出电压实际值U_o与输出电压给定值U^* _o的误差通过电压外环PI模块02得到虚拟输出电压给定值U^* _p，然后结合输出电压实际值U_o、输出电流i_o，输出电压给定值U^* _o和虚拟输出电压给定值U^* _p建立变换器前馈控制模型，根据该模型通过相移控制量计算模块03获得相移控制量D，其计算公式如式(6)所示，最后通过调制模块04得到全桥隔离DC/DC变换器的脉冲控制信号，完成变换器负载电流前馈控制方法。

基于RT-LAB和TMS320F28335的硬件在环实验平台，本发明的系统实例中两个支撑电容C₁和C₂均为2mF，辅助电感L为(1.5-2)mH，变压器的变比n为1，开关频率f_s为1kHz，输入电压为200V，也可以根据具体情况设计变换器的参数。图3～图4分别给出了负载电阻突增和突减，采用电流前馈控制方法的实验波形图，结果表明该前馈控制方法能显著增加系统对输入电压突变和输出电阻突变的动态响应速度，在负载发生突变的情况时，输出电压实际值U_o基本保持不变，其响应时间几乎为零。图5～图6分别给出了辅助电感L为1.5mH和1.75mH时，采用电流前馈控制方法的实验波形图，分析易得全桥隔离DC/DC变换器的电感参数对该方法的控制性能没有影响，在不知道准确的电感参数时，采用该电流前馈控制方法仍具有较好的动态响应性能，这增加了控制方法的可移植性和兼容性。

在不脱离本发明思想的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态响应的负载电流前馈控制方法，用于提高全桥隔离DC-DC变换器在负载突变时的动态响应速度，实现输出电压在负载电阻发生突变时维持恒定；包含如下步骤:

1)数据采集模块(01)采集输出电压实际值U_o以及输出电流i_o,并将输出电压实际值U_o与输出电压给定值U^* _o的误差通过外环电压PI模块(02)得到虚拟输出电压给定值U^* _p；

2)相移控制量计算模块(03)结合输出电压实际值U_o、输出电压给定值U^* _o、虚拟输出电压给定值U^* _p和输出电流i_o为输入量，经前馈控制模型，计算出相移控制方法的相移控制量D；

所述前馈控制模型在单相移控制时表达为：

$D=\frac{1}{2}-\sqrt{\frac{1}{4}-\frac{U_o^{*}{U}_p^{*}{i}_o}{U_o^2}};$

3)调制模块(04)生成脉冲控制信号，步骤2)所得相移控制量生成对应的全桥隔离DC-DC变换器开关器件的脉冲控制信号；实现全桥隔离DC-DC变换器的控制。

2.根据权利要求1所述一种提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态响应的负载电流前馈控制方法，其特征在于，基于相移控制方法建立相移控制量是由虚拟输出电压给定值U^* _p，输出电压给定值U^* _o，输出电压实际值U_o以及输出电流i_o进行数学描述的。