CN105071663A - 一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法和装置，该装置包括：采集电路，用于采集输入直流电压电流信号和输出直流电压信号；控制器，用于对所述输入直流电压电流信号进行最大功率追踪，形成开关驱动信号；驱动电路，用于根据所述开关驱动信号，控制有源箝位升压电路的主开关和辅助开关的开启或关闭；所述有源箝位升压电路，用于对输入的直流电压信号进行高边有源箝位和升压；隔离电路，用于对经过高边有源箝位和升压的直流电压信号进行隔离，输出升压后的高频直流电压。上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法和装置使得电压变换在保证安全性能的前提下，减少开关数量，降低开关应力，减小装置的体积，节约成本。

Description

一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法和装置

技术领域

本发明涉及电压变换技术领域，特别是涉及一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法和装置。

背景技术

随着电力电子技术和数字控制技术的发展，目前常用的微型电压变换器有以下三种：

如图1所示，图1为现有技术中的一种传统的升压变换器的示意图。该升压变换器中的电感L_f起着储能元件的作用，当开关导通时，电源向电感L_f充电，电感L_f储能，而当开关关断时，电源和电感L_f共同向电容充电并向负载释放能量，以达到升高电压的目的，实现系统的最大功率跟踪。

如图2所示，图2为现有技术中的一种反激式变换器的示意图。该反激式变换器中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。该反激式变换器的原边开关导通时，原边绕组的电流线性增长，电感储能增加，副边电路无电流，而当原边开关关断时，原边绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过副边绕组和二极管向输出端释放，此时副边电路有电流，实现了能量的传递。

如图3所示，图3为现有技术中的一种正激式变换器的示意图。该正激式变换器的工作原理恰好与上述反激式变换器相反，该正激式变换器原边开关导通时，变压器的励磁电流由零开始，随着时间的增加而线性地增加，通过变压器向副边传递能量，而当原边开关关断时，原边绕组的电流线性增加，电感储能增加，副边电路无电流。

上述传统的升压变换器具有元器件少、成本低、结构简单和控制相对容易的优点，但其输入端与输出端之间无电气隔离，安全性能差；而上述反激式变换器和正激式变换器虽然可以实现输入端与输出端之间的电气隔离，但是反激式变换器只适合较小功率的场合，在实际中有一定的限制，交错并联反激式变换器也才能控制不超过600W的变换器，但其开关器件多，控制相对复杂，正激式变换器适合较大功率的场合，但其控制算法复杂，且变压器原边不易实现磁复位，如果要实现精确控制，就需要较多的开关器件，且开关应力大，体积大，制造成本高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法和装置，能够使得电压变换在保证安全性能的前提下，减少开关数量，降低开关应力，从而降低装置的体积，节约成本。

本发明提供的一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置，包括：

采集电路，用于采集输入直流电压电流信号和输出直流电压信号；

控制器，用于对所述输入直流电压电流信号进行最大功率追踪，形成开关驱动信号；

驱动电路，用于根据所述开关驱动信号，控制有源箝位升压电路的主开关和辅助开关的开启或关闭；

所述有源箝位升压电路，用于对输入的直流电压信号进行高边有源箝位和升压；

隔离电路，用于对经过高边有源箝位和升压的直流电压信号进行隔离，输出升压后的高频直流电压。

优选的，在上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置中，所述有源箝位升压电路包括有源箝位电路和升压电路。

优选的，在上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置中，所述升压电路包括：

第一端与输入电压的正极连接的第一电感元件；

第一端与所述输入电压的负极连接的主开关；

所述主开关的第二端和所述第一电感元件的第二端之间连接有谐振电感。

优选的，在上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置中，所述有源箝位电路包括：

第一端与所述第一电感元件的第二端连接的二极管；

所述二极管的两端并联有第一电容元件；

第一端与所述主开关的第二端连接的第二电容元件；

所述第二电容元件的第二端和所述二极管的第二端之间连接有辅助开关。

优选的，在上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置中，所述隔离电路连接在所述二极管的第二端和所述主开关的第一端之间。

优选的，在上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置中，所述控制器包括STM32核心控制板。

优选的，在上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置中，还包括：辅助电源，用于为所述有源箝位升压电路、所述采集电路、所述控制器和所述驱动电路供电。

本发明提供的一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法，包括：

采集输入直流电压电流信号和输出直流电压信号；

对所述输入直流电压电流信号进行最大功率追踪，形成开关驱动信号；

根据所述开关驱动信号，控制有源箝位升压电路的主开关和辅助开关的开启或关闭；

对输入的直流电压信号进行高边有源箝位和升压；

对经过高边有源箝位和升压的直流电压信号进行隔离，输出升压后的高频直流电压。

本发明提供的上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置，包括：采集电路，用于采集输入直流电压电流信号和输出直流电压信号；控制器，用于对所述输入直流电压电流信号进行最大功率追踪，形成开关驱动信号；驱动电路，用于根据所述开关驱动信号，控制有源箝位升压电路的主开关和辅助开关的开启或关闭；所述有源箝位升压电路，用于对输入的直流电压信号进行高边有源箝位和升压；隔离电路，用于对经过高边有源箝位和升压的直流电压信号进行隔离，输出升压后的高频直流电压，降低了装置的体积，节约了成本；本发明提供的上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法，能够使得在保证安全的前提下，减少开关数量，降低开关应力，从而降低装置的体积，节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种传统的升压变换器的示意图；

图2为现有技术中的一种反激式变换器的示意图；

图3为现有技术中的一种正激式变换器的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置的示意图；

图5为本申请实施例提供的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置中的有源箝位升压电路和隔离电路的连接示意图；

图6为有源箝位升压隔离电路开关驱动信号的示意图；

图7为本申请实施例提供的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置的硬件结构图；

图8为本申请实施例提供的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置与直流母线连接的示意图；

图9为本申请实施例提供的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置运行的主程序流程图；

图10为本申请实施例提供的一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法的示意图；

图11为输入电压波形图；

图12为输入电流波形图；

图13为直流母线串联前输出电压波形图；

图14为直流母线串联后输出电压波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供的一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置如图4所示，图4为本申请实施例提供的一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置的示意图。该有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置100包括：

采集电路110，用于采集输入直流电压电流信号和输出直流电压信号；

控制器120，用于对所述输入直流电压电流信号进行最大功率追踪，形成开关驱动信号；

驱动电路130，用于根据所述开关驱动信号，控制有源箝位升压电路140的主开关和辅助开关的开启或关闭；

所述有源箝位升压电路140，用于对输入的直流电压信号进行高边有源箝位和升压；

隔离电路150，用于对经过高边有源箝位和升压的直流电压信号进行隔离，输出升压后的高频直流电压。

本申请实施例提供的上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置，可应用于中小功率的场合，不仅能实现变换器装置输入端与输出端的电气隔离，而且体积小、安全性能高、成本也较低，而且控制更为简单，由于在该变换器装置的原边升压电路加上了有源箝位升压电路，可以实现开关的软开关，降低开关的开关损耗，提高变换器装置的效率。

在上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置中，所述有源箝位升压电路包括有源箝位电路和升压电路，用于提高输出电压，为了对电路结构进行说明，请参考图5，图5为本申请实施例提供的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置中的有源箝位升压电路和隔离电路的连接示意图，其中，所述有源箝位升压电路140包括有源箝位电路141和升压电路142，所述升压电路142包括：

第一端与输入电压的正极连接的第一电感元件L_f；

第一端与所述输入电压的负极连接的主开关S₁；

所述主开关S₁的第二端和所述第一电感元件L_f的第二端之间连接有谐振电感L_r。

所述有源箝位电路141包括：

第一端与所述第一电感元件L_f的第二端连接的二极管VD₁；

所述二极管VD₁的两端并联有第一电容元件；

第一端与所述主开关S₁的第二端连接的第二电容元件C_c；

所述第二电容元件C_c的第二端和所述二极管VD1的第二端之间连接有辅助开关S₂。

所述隔离电路150连接在所述二极管VD₁的第二端和所述主开关S₁的第一端之间。

上述有源箝位升压电路拓扑能够有效的抑制二极管的反向恢复，同时实现主开关和辅助开关的零电压开关，使开关的电压应力不超过变换器装置的最高输入电压，结构简单、开关损耗低、体积小，适合应用于串联型微型变换器装置，而且加入了隔离电路，使得系统安全性能大大提高。

上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置的工作原理如下：在主开关S₁和二极管VD₁之间串联一个谐振电感L_r，可以有效的抑制二极管的反向恢复，但是当主开关S₁关断时，谐振电感L_r会在主开关S₁上产生很大的电压应力，为了保证电路的安全运行，就必须有一个有源箝位电路来箝位电压。由于有源箝位电路结构简单、控制方便，能够实现主开关和辅助开关的软开关，因此在单相微型变换器装置中得到广泛的应用。根据磁链守恒对励磁电感L_m建立磁链方程为V_c＝V_in*D/(1-D)，其中，D为主开关PWM脉冲占空比，V_c为钳位电容端电压，V_in为输入电压。有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置需要满足一定的宽范围输入电压要求，因此将最大占空比D_max设计为：D_max＝V_imax/(V_imax+V_imin)，其中，V_imax为有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置最大输入电压，V_imin为有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置最小输入电压。当输入电压为最小输入电压V_imin时，有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置达到最大占空比，可得：n＝(1/(1-D_max))*(V_imin/V)，由上面公式可得变压器匝比：n＝(V_imin+V_imax)/V_out。如图6所示，图6为有源箝位升压隔离电路开关驱动信号的示意图，在该有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置中，主开关S₁和辅助开关S₂的驱动信号是互补的，并且带有死区时间，主开关S₁和辅助开关S₂交替导通。

进一步的，参考图7，图7为本申请实施例提供的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置的硬件结构图，其中，所述控制器包括STM32核心控制板。采集电路110采集系统输入的电压、电流信号送给所述STM32控制器，信号经过STM32控制器的处理再经过最大功率跟踪，再经过驱动电路130对占空比信号进行驱动，最后送给有源箝位升压电路，控制开关的开断，实现直流电压的变换，将低压直流信号变换为高压直流信号。另外，该变换器装置还包括：辅助电源160，用于为所述有源箝位升压电路140、所述采集电路110、所述控制器120和所述驱动电路130供电。

本申请实施例提供的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置在直流母线前串联连接，由于是多个变换器装置串联，所以需要多路PWM信号分别驱动多路开关，如图8所示，图8为本申请实施例提供的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置与直流母线连接的示意图。这种有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置除了具有交流模块并网结构与并联直流母线结构的众多优点外，还具备以下明显优势：由于其输出电压低(可低于100V以下)，因此可以采用目前十分普遍的低压大电流的开关器件，同时易于采用同步整流技术，从而进一步提高系统效率；变换器装置的输入输出变比小，既可以采用隔离型拓扑也可以采用非隔离型拓扑，且系统易于优化设计，效率高；系统有源器件与无源器件的能量低，大大降低了系统成本，同时易于构成大容量系统。另外，还包括与所述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置连接的保护二极管170，在各个有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置串联时，加入该保护二极管能够防止热斑效应，当任何一个有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置模块出故障时，都不会影响其他模块的正常使用。

如图9所示，图9为本申请实施例提供的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置运行的主程序流程图，通过调用中断子程序可以实现最大功率跟踪算法、SPWM算法等控制方法，最终实现对有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置的控制。

本申请实施例还提供了一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法如图10所示，图10为本申请实施例提供的一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法的示意图。该方法包括如下步骤：

S1：采集输入直流电压电流信号和输出直流电压信号；

S2：对所述输入直流电压电流信号进行最大功率追踪，形成开关驱动信号；

S3：根据所述开关驱动信号，控制有源箝位升压电路的主开关和辅助开关的开启或关闭；

S4：对输入的直流电压信号进行高边有源箝位和升压；

S5：对经过高边有源箝位和升压的直流电压信号进行隔离，输出升压后的高频直流电压。

本申请实施例提供的上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法，能够使得在保证安全的前提下，减少开关数量，降低开关应力，从而降低装置的体积，节约成本。

上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法和装置将低压直流转换成高压直流，可以应用于分布式电网的多种系统中，如光伏、风力发电、温差发电，下面以光伏领域的应用为例进行说明。

以光伏发电为基础对上述有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置进行仿真，图11、图12、图13和图14是利用MATLAB/SIMULINK仿真软件得到的仿真波形，其中，图11为输入电压波形图，图12为输入电流波形图，图13为直流母线串联前输出电压波形图，图14为直流母线串联后输出电压波形图。从图11可以看出，输入的电压稳定在35V左右，从图12可以看出，输入电流大概稳定在7A左右，整个输入功率大概为250W。图13为直流母线串联前的输出电压波形，系统参数设定在100V，由图13可以看出，经过短暂的调节后，输出电压稳定在了100V，电路的升压和隔离作用由此体现。图14为直流母线串联后的输出电压波形，本系统采用的是两个有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置串联，理论上得到的串联后的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置的电压幅值为200V，由图14可以看出，经过调节之后，输出电压最终稳定在了200V，实现了有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置的有效串联，提升了整体的输出电压，并且降低了相应器件的电压应力，安全性能得以提高。

综上所述，本申请提供的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置具有如下特点：开关器件少，体积小，重量轻，系统可控性强，适合应用于分布式微电网等场合，而且采用的是由逆变前级控制的有源箝位升压隔离变换的方法，分级控制以便于实现直流母线前的串联，控制电路简单，动态性能好，安全性能高，稳定性强，便于多级微型变换器装置进行直流母线串联，提升了直流母线整体的输出电压。经过仿真和实验证明，在输入信号变化情况下具有很好的控制特性，能最大限度的追踪其最大功率，使装置以最大的功率来输入。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置，其特征在于，包括：

采集电路，用于采集输入直流电压电流信号和输出直流电压信号；

控制器，用于对所述输入直流电压电流信号进行最大功率追踪，形成开关驱动信号；

驱动电路，用于根据所述开关驱动信号，控制有源箝位升压电路的主开关和辅助开关的开启或关闭；

所述有源箝位升压电路，用于对输入的直流电压信号进行高边有源箝位和升压；

隔离电路，用于对经过高边有源箝位和升压的直流电压信号进行隔离，输出升压后的高频直流电压。

2.根据权利要求1所述的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置，其特征在于，所述有源箝位升压电路包括有源箝位电路和升压电路。

3.根据权利要求2所述的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置，其特征在于，所述升压电路包括：

第一端与输入电压的正极连接的第一电感元件；

第一端与所述输入电压的负极连接的主开关；

所述主开关的第二端和所述第一电感元件的第二端之间连接有谐振电感。

4.根据权利要求3所述的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置，其特征在于，所述有源箝位电路包括：

第一端与所述第一电感元件的第二端连接的二极管；

所述二极管的两端并联有第一电容元件；

第一端与所述主开关的第二端连接的第二电容元件；

所述第二电容元件的第二端和所述二极管的第二端之间连接有辅助开关。

5.根据权利要求4所述的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置，其特征在于，所述隔离电路连接在所述二极管的第二端和所述主开关的第一端之间。

6.根据权利要求1-5任一项所述的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置，其特征在于，所述控制器包括STM32核心控制板。

7.根据权利要求6所述的有源箝位升压隔离串联型微型变换器装置，其特征在于，还包括：辅助电源，用于为所述有源箝位升压电路、所述采集电路、所述控制器和所述驱动电路供电。

8.一种有源箝位升压隔离串联型微型变换器控制方法，其特征在于，包括：

采集输入直流电压电流信号和输出直流电压信号；

对所述输入直流电压电流信号进行最大功率追踪，形成开关驱动信号；

根据所述开关驱动信号，控制有源箝位升压电路的主开关和辅助开关的开启或关闭；

对输入的直流电压信号进行高边有源箝位和升压；

对经过高边有源箝位和升压的直流电压信号进行隔离，输出升压后的高频直流电压。