CN105305815A - L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法 - Google Patents

L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法 Download PDF

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贺明智
赵与辉
何�雄
孙利娟
李志君
李金芝
段宣祥
张志恒
郑琼林
杨晓峰
于美娜
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Beijing Jiaotong University
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Beijing Jiaotong University
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Abstract

本发明涉及L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，包括如下步骤：步骤1，对各个输出电容上的电压进行采样；步骤2，计算总电压；步骤3，每个输出电容通过对电压的采样值进行比较，产生该电容相关的Boost开关管的控制信号，若电压存在不均衡，通过采样与设定的均衡电压值比较，再通过占空比的调节使各个电容上电压平衡。本发明所述的L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，减少了L型Boost多电平电路的功率损耗，使得输出串联电容电压平衡，降低了对开关管电压应力的要求；减少了输出纹波，增加了输出的精确程度，更适用于要求较为精细且对成本要求不高的应用场合。

Description

L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法
技术领域
本发明涉及电气工程多电平变换器领域，具体说是L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法。即L型多电平Boost电路输出电容均压控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的飞速发展，多电平变换器及其控制技术的研究正逐渐成为应用领域的研究热点。近些年来，多电平变换技术(主要指电压型多电平变换器)得到不断推广。而实现多电平变换器的关键技术是变换器拓扑及控制方法。
采用多电平技术的变换器可避免功率开关器件直接串联，具有输出电压高、谐波含量低、电压变化率小、功率开关器件电压应力小、开关频率低等优点，可应用于中压大功率交流调速、电力系统静止无功补偿等领域。
L型多电平Boost变换器，输入电压很低，输出电压为N个输出电容上电压之和，共用一个电感，不仅减少了电感数量，也节约了成本。但是，L型多电平Boost变换器的电路由于杂散参数、输出电容个体的实际差别等因素，造成各个输出电容上的电压不均衡，这样可能会造成部分开关器件上的电压过高，超过阈值，从而损坏器件。同样，还有可能造成输出电容上电压波动较大，使得输出电压纹波过大。所以要对输出电容进行均压，以保证输出电压更加平稳，各个开关器件的电压应力均衡。
现有最常用的技术方案是使用均压电阻，通过在每个输出电容旁并联一个相同阻值的均压电阻，以使得电阻上的压降相同，从而使得相并联的输出电容上电压相同。均压电阻的方法安全可靠，方法简单。但是，由于L型多电平Boost变换器通常输出电压很高，可能高达上千伏，这样均压电阻不仅要选的很大，所造成的损耗也十分的多。若均压电阻选大了均压速度则会太慢。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，减少了L型Boost多电平电路的功率损耗，使得输出串联电容电压平衡，降低了对开关管电压应力的要求；减少了输出纹波，增加了输出的精确程度，更适用于要求较为精细且对成本要求不高的应用场合。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对各个输出电容上的电压进行采样；
步骤2，计算总电压；
步骤3，每个输出电容通过对电压的采样值进行比较，产生该电容相关的Boost开关管的控制信号，若电压存在不均衡，通过采样与设定的均衡电压值比较，再通过占空比的调节使各个电容上电压平衡。
在上述技术方案的基础上，采用霍尔或电压传感器对各个输出电容上的电压进行采样。
在上述技术方案的基础上，输出电容数量为N，则采用的霍尔或电压传感器的数量为N，
总电压为N个输出电容采样电压之和。
在上述技术方案的基础上，纵轴上的开关器件选用MOSFET或是IGBT，横轴上的开关器件选用MOSFET或是IGBT，横轴上并联的开关器件选用MOSFET或是IGBT。
在上述技术方案的基础上，设定每个输出电容的电压均衡设定值为VC，电路开始工作时，分别对输出电容电压采样，然后与该输出电容的电压均衡设定值VC比较，得到误差值ECk，EC(k-1)，……，EC1，误差值经PID控制器调节，与三角或锯齿载波比较得到相应的占空比，分别给纵轴上的开关器件、横轴上的开关器件和横轴上并联的开关器件。
本发明所述的L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，减少了L型Boost多电平电路的功率损耗，使得输出串联电容电压平衡，降低了对开关管电压应力的要求；减少了输出纹波，增加了输出的精确程度，更适用于要求较为精细且对成本要求不高的应用场合。
本发明所述的L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，由于是多电平拓扑，N电平的话，会使用N-1个电压采样传感器，会使成本增加较多，在要求较为精细且对成本要求不高的应用场合，适于使用该种电压均衡的控制方式。该种方法损耗较小，均衡调节的速度可以通过程序来调节。
附图说明
本发明有如下附图：
图1本发明的原理图；
图2开关器件控制时序图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1、2所示，本发明所述的L型Boost多电平电路电容(指输出电容)电压均衡控制方法，包括如下步骤：
步骤1，对各个输出电容上的电压进行采样；
步骤2，计算总电压；
步骤3，每个输出电容通过对电压的采样值进行比较，产生该电容相关的Boost开关管的控制信号，若电压存在不均衡，通过采样与设定的均衡电压值比较，再通过占空比的调节使各个电容上电压平衡。
在上述技术方案的基础上，采用霍尔或电压传感器对各个输出电容上的电压进行采样。采用高精度的传感器对输出电容分别采样，并采用L-Boost电路的均衡控制策略进行闭环控制，使得输出电容电压平衡。
在上述技术方案的基础上，输出电容数量为N，则采用的霍尔或电压传感器的数量为N，
总电压为N个输出电容采样电压之和。
如图1所示，其中：
SVk，SV(k-1)，……，SV1为霍尔或电压传感器，
Ck，C(k-1)，……，C1为串联的输出电容，
Sk1，S(k-1)1，……，S11为横轴上的开关器件，一般选用MOSFET或是IGBT，
Sk2，S(k-1)2，……，S12为纵轴上的开关器件，一般选用MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor金属-氧化物半导体场效应晶体管)或是IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor绝缘栅双极型晶体管)，
Sk3，S(k-1)3，……，S13为横轴上并联的开关器件，一般选用MOSFET或是IGBT，
Dk4，D(k-1)4，……，D14为横轴上的二极管。
设定每个输出电容的电压均衡设定值为VC，电路开始工作时，SVk，SV(k-1)，……，SV1分别对输出电容电压采样，然后与该输出电容的电压均衡设定值VC比较，得到误差值ECk，EC(k-1)，……，EC1，误差值经PID控制器调节，与三角或锯齿载波比较得到相应的占空比，分别给纵轴上的开关器件、横轴上的开关器件和横轴上并联的开关器件Sk1、Sk2和Sk3，S(k-1)1、S(k-1)2和S(k-1)3，……，S11、S12和S13。
如图2所示，为开关器件控制时序图，初始Sk1，S(k-1)1，……，S11全部开通，Sk3，S(k-1)3，……，S23全部关断，Sk2，S(k-1)2，……，S12也全部关断。
输入通过Dk4，D(k-1)4，……，D24和Sk1，S(k-1)1，……，S11形成回路，给电感LA充能。
然后S13关断，输入和电感LA通过Dk4，D(k-1)4，……，D14和Sk1，S(k-1)1，……，S11形成回路，同时给输出电容C1充电。
SV1采集输出电容C1上电压，与输出电容C1的电压均衡设定值VC比较，来控制开通关断时间，使电容电压在电压均衡设定值(附近)。
然后S13开通，输入给电感LA充能。
接着关断S11，开通S23和S12，输入通过Dk4，D(k-1)4，……，D24和Sk1，S(k-1)1，……，S12形成回路，给C2电容充电。
SV2采集输出电容C2上电压，与输出电容C2的电压均衡设定值VC比较，来控制开通关断时间，使电容电压在电压均衡设定值(附近)。
后续工作情况相同。
电路依次给输出的串联电容Ck，C(k-1)，……，C1充电，然后重复如此，使得电容电压在均衡值附近，输出总电压为输出的串联电容上电压之和。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对各个输出电容上的电压进行采样；
步骤2，计算总电压；
步骤3，每个输出电容通过对电压的采样值进行比较，产生该电容相关的Boost开关管的控制信号，若电压存在不均衡，通过采样与设定的均衡电压值比较，再通过占空比的调节使各个电容上电压平衡。
2.如权利要求1所述的L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，其特征在于：采用霍尔或电压传感器对各个输出电容上的电压进行采样。
3.如权利要求1所述的L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，其特征在于：输出电容数量为N，则采用的霍尔或电压传感器的数量为N，
总电压为N个输出电容采样电压之和。
4.如权利要求1所述的L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，其特征在于：纵轴上的开关器件选用MOSFET或是IGBT，横轴上的开关器件选用MOSFET或是IGBT，横轴上并联的开关器件选用MOSFET或是IGBT。
5.如权利要求1所述的L型Boost多电平电路电容电压均衡控制方法，其特征在于：设定每个输出电容的电压均衡设定值为VC，电路开始工作时，分别对输出电容电压采样，然后与该输出电容的电压均衡设定值VC比较，得到误差值ECk，EC(k-1)，……，EC1，误差值经PID控制器调节，与三角或锯齿载波比较得到相应的占空比，分别给纵轴上的开关器件、横轴上的开关器件和横轴上并联的开关器件。
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