CN105141136A - 一种应用于全桥隔离dc-dc变换器的直接功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于全桥隔离DC-DC变换器的直接功率控制方法。基于单相移控制方法，首先建立了相移控制量D的数学描述，通过采集模块01得到变换器的输出电压U_o和输入电压值U_in，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获得功率给定值p，由输出电压、输入电压值和功率给定值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，从而实现全桥隔离DC-DC变换器的控制。该直接功率控制方法能有效提高变换器系统在输入电压突变的情况下的动态响应性能，并且在变换器输入电压含有脉动的情况下可以减小输出电压的电压脉动。

Description

一种应用于全桥隔离DC-DC变换器的直接功率控制方法

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

在20实际90年代初，全桥隔离DC-DC变换器拓扑被学者提出来。随着新能源变流技术的迅速发展，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，受到了越来越广泛的关注。在新能源变换系统中，全桥隔离DC/DC变换器应用于分布式发电的微型电网、电动汽车和一些能量存储系统中来满足不同等级电压的变换以及能量的双向传输的需要。此外，在在高速列车的发展趋势中，轻量化与高功率密度化是实现高速列车更高速度、高效节能的关键技术之一。为了提升牵引传动系统的功率密度，取消机车上的工频牵引变压器，大功率级联多电平H桥整流器与全桥隔离DC/DC变换器相结合的中高频变压器机车也成为了当前研究的热点。

总所周知，在上述能量变换系统中，变换器需要有优良的动态响应性能来提高变换器系统的鲁棒性，因此提升变换器的动态响应速度也是变换器的一个重要目标。此外，在交流传动系统的应用中，全桥隔离DC/DC变换器的前端为单相脉冲整流器，单相脉冲整流器的直流母线电压会存在二倍电网频率的电压脉动，也即全桥隔离DC-DC变换器的输入电压含有二倍频电压脉动，如果该二倍频脉动的输入电压会引起全桥DC-DC变换器的输出电压脉动，则最终会导致DC-DC变换器后级牵引逆变器-电机系统出现拍频现象，恶化牵引电机的转矩和定子电流性能，甚至引起电机过热而损坏。因此，在输入电压含有脉动情况下，如何优化全桥隔离DC/DC变换器的控制方法，达到减小输入脉动电压对输出电压的影响是非常必要的。纵观已有资料，关于全桥隔离DC/DC变换器输入电压突变和输入电压含有脉动的控制方法报道较少。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，以单相移控制方法为例，本发明提供了一种全桥隔离DC-DC变换器的直接功率控制方法，目的是：在输入电压突变和输入电压含有脉动的情况下，提高变换器系统的动态响应性能。该直接功率控制方法能够显著提高变换器对输入突变的动态响应性能，并且在输入电压含有二倍频电压脉动的情况下减小输出电压的二倍频脉动。

本发明实现其发明目的是通过如下技术方案实现的。

一种应用于全桥隔离DC-DC变换器的直接功率控制方法，用于提高全桥隔离DC-DC变换器对输入电压的动态响应性能，使其在输入电压突变或波动的情况时实现输出电压基本稳定；包含如下主要步骤：

通过采集模块01得到变换器的输出电压U_o和输入电压值U_in，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获得功率给定值p，由输出电压、输入电压值和功率给定值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根据相移控制量生成对应的全桥隔离DC-DC变换器开关器件脉冲控制信号，从而实现全桥隔离DC-DC变换器的控制。

这样，应用本发明全桥隔离DC-DC变换器的直接功率控制方法，采集输入电压和输出电压，通过建立相移控制量基于输出电压、输入电压值和功率给定值的数学模型，实现功率的直接控制，得到相移控制量的大小，生成开关控制信号，最终完成全桥隔离DC-DC变换器的控制。

所述相移控制量计算模块03的相移控制量计算模型的获得是基于以下的分析处理：

首先，针对单相移控制方法，全桥隔离DC-DC变换器输出功率可表示为式(1)

$P=\frac{U_{in}{U}_{o}D(1-D)}{2{\mathrm{nLf}}_s}---\left(1\right)$

其中：D为全桥隔离DC-DC变换器单相移控制方法中的相移控制量；U_in为输入电压；U_o为输入电压；L为等效电感值；f_s为开关频率；n为隔离变压器变比。

对于全桥隔离DC/DC变换器电感参数L、变压器变比n以及开关周期T_s可近似视为常数，则全桥隔离DC/DC变换器的输出功率可以进一步表示为

$p=\frac{2nLP}{T_s}=U_{in}{U}_{o}D(1-D)---\left(2\right)$

根据式(2)，则相移控制量D可表示为

$D=\frac{1}{2}-\sqrt{\frac{1}{4}-\frac{p}{U_o{U}_{in}}},(0<p<\frac{U_{in}{U}_o}{4})---\left(3\right)$

在控制模型中p输出功率给定值。

最后，根据求解得相移控制量D，通过调制模块04可获得开关控制信号，从而完成全桥隔离DC-DC变换器的相移控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、在输入电压发生突变时，输出电压基本保持不变，显著提高了变换器在输入电压突变时的动态响应性能。

二、在输入电压含有二倍脉动时，能够显著减小输出电压的的二倍脉动分量。

三、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全桥隔离DC-DC变换器直接功率控制的系统框图

图2单相移控制方法的波形示意图。

图3输入电压由200V突变到240V，全桥隔离DC-DC变换器传统闭环控制的波形图。

图4输入电压由200V突变到240V，全桥隔离DC-DC变换器直接功率控制的波形图

图5输入电压由200V突变到160V，全桥隔离DC-DC变换器传统闭环控制的波形图。

图6输入电压由200V突变到160V，全桥隔离DC-DC变换器的直接功率控制的波形图。

图7输入电压含有40V/100Hz脉动电压时，全桥隔离DC-DC变换器传统闭环控制的波形图。

图8输入电压含有40V/100Hz脉动电压时，全桥隔离DC-DC变换器直接功率控制的波形图。

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，本发明实现全桥隔离DC-DC变换器直接功率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2个全桥变换器、1个辅助电感L_r、2个直流侧支撑电容C₁、C₂、1个高频隔离变压器组成，其中R为变换器等效负载。

每个控制周期开始时刻，控制系统通过数据采集模块01采集输入电压U_in和输出电压U_o，然后将输出电压实际值U_o与其给定值U^* _o的误差通过电压外环PI模块02得到功率给定值p，然后结合输入电压U_in和输出电压U_o等变量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(3)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，完成变换器直接功率控制。

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1000μF，在测试脉动抑制的情况下：C₂＝400μF，辅助电感L＝2mH，变压器的变比n＝1，开关频率f_s＝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6分别给出了输入电压突增以及突减，采用传统闭环控制方法以及直接功率控制方法的实验波形图，结果表明该直接功率控制控制方法能显著增加系统对输入电压扰动的动态响应速度。在负载侧支撑电容为400μF的情况下，图7和图8分别给出了输入电压含有40V/100Hz脉动电压时，传统闭环控制方法以及直接功率控制方法的实验波形图，对比实验结果表明：直接功率控制方法能够显著减小全桥隔离DC/DC变换器输出电压的二倍频脉动分量。

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)

1.一种应用于全桥隔离DC-DC变换器的直接功率控制方法，用于提高全桥隔离DC-DC变换器对输入电压的动态响应性能，使其在输入电压突变或波动的情况时实现输出电压基本稳定；包含如下主要步骤：

通过采集模块(01)得到变换器的输出电压U_o和输入电压值U_in，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)获得功率给定值p，由输出电压、输入电压值和功率给定值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)根据相移控制量生成对应的全桥隔离DC-DC变换器开关器件脉冲控制信号，从而实现全桥隔离DC-DC变换器的控制。

2.根据权利要求1所述一种应用于全桥隔离DC-DC变换器的直接功率控制方法，其特征在于，所述相移控制量计算模块(03)的相移控制量计算模型为： $D=\frac{1}{2}-\sqrt{\frac{1}{4}-\frac{p}{U_o{U}_{in}}},(0<p<\frac{U_{in}{U}_o}{4}).$