CN105406720A - 一种基于级联双向dc-dc变换器的控制方法 - Google Patents

一种基于级联双向dc-dc变换器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法，相对简单，通过控制单元控制电容电压等于第一电源电压与变压器线圈匝比N的乘积，能够实现级联双向DC-DC变换器所有开关器件在全负载范围软开关。同时，在传输相同功率时，其谐振电感电流有效值能达到最小。提高了级联双向DC-DC变换器的整体效率。

Description

一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法。
背景技术
在级联双向DC-DC变换器中，第一级DC-DC变换器为双向移相全桥，目前大多数双向移相全桥控制策略基本如下：
一、双向移相全桥隔离变压器一侧开关器件移相，另一侧利用开关器件并联的二极管整流的控制策略，此种控制方式下，开关器件无法在轻载时实现软开通，且开关器件并联的二极管整流，二极管存在反向恢复问题，损耗大，级联双向DC-DC变换器的效率低。
二、双向移相全桥隔离变压器两侧开关管互相移相，此种控制方式，虽然能够实现全负载软开通，但无法顾及全负载范围内谐振电感电流有效值，且控制方式复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法，实现变换器中双向移相全桥所有开关器件在全负载范围内软开通；在传输相同功率时，实现谐振电感电流有效值达到最小，降低双向移相全桥开关器件的开通损耗和导通损耗，以及变压器损耗，提高效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
(1)设置级联双向DC-DC变换器：所述级联双向DC-DC变换器包括级联在电容两侧的第一DC-DC变换器和第二DC-DC变换器、与所述第一DC-DC变换器相连接的第一电源、与所述第二DC-DC变换器相连接的第二电源、用于控制所述电容两端电压的控制单元；
所述第一DC-DC变换器包括变压器、设于所述变压器初级侧的第一双向移相全桥电路、设于所述变压器次级侧的第二双向移相全桥电路，所述变压器的线圈匝比为N；
所述第一双向移相全桥电路包括相互串联形成第一桥臂的第一开关管和第二开关管、相互串联形成第二桥臂的第三开关管和第四开关管；
所述第二双向移相全桥电路包括相互串联形成第三桥臂的第五开关管和第六开关管、相互串联形成第四桥臂的第七开关管和第八开关管；
所述第二DC-DC变换器为非隔离DC-DC变换器；
(2)当所述级联双向DC-DC变换器能量从所述第一电源流向所述第二电源时，所述第一开关管、所述第四开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的相位对应的超前所述第五开关管、所述第八开关管、所述第六开关管、所述第七开关管的相位，所述控制单元控制所述电容两端的电压为所述第一电源两端电压的N倍，使所述级联双向DC-DC变换器的开关器件在全负载范围内实现软开关；
(3)当所述级联双向DC-DC变换器能量从所述第二电源流向所述第一电源时，所述第一开关管、所述第四开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的相位对应的滞后所述第五开关管、所述第八开关管、所述第六开关管、所述第七开关管的相位，所述控制单元控制所述电容两端的电压为所述第一电源两端电压的N倍，使所述级联双向DC-DC变换器的开关器件在全负载范围内实现软开关。
优选地，在所述步骤(2)中，所述第二DC-DC变换器工作在Boost模式。
优选地，在所述步骤(3)中，所述第二DC-DC变换器工作在Buck模式。
优选地，在所述步骤(2)和所述步骤(3)中，所述第一开关管、所述第四开关管的驱动信号相同，且分别与所述第二开关管、所述第三开关管的信号相斥。
优选地，在所述步骤(2)和所述步骤(3)中，所述第五开关管、所述第八开关管的驱动信号相同，且分别与所述第六开关管、所述第七开关管的信号相斥。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法，相对简单，通过控制单元控制电容电压等于第一电源电压与变压器线圈匝比N的乘积，能够实现级联双向DC-DC变换器所有开关器件在全负载范围软开关。同时，在传输相同功率时，其谐振电感电流有效值能达到最小。提高了级联双向DC-DC变换器的整体效率。
附图说明
附图1为本发明方法中级联双向DC-DC变换器整体示意图；
附图2为本发明方法中级联双向DC-DC变换器主功率示意图；
附图3为步骤(2)中第一DC-DC变换器驱动时序及电感电流示意图，其中td为死区时间；
附图4为步骤(3)中第一DC-DC变换器驱动时序及电感电流示意图，其中td为死区时间。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1-4所示，上述一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
(1)设置级联双向DC-DC变换器：该级联双向DC-DC变换器包括级联在电容C1两侧的第一DC-DC变换器和第二DC-DC变换器、与该第一DC-DC变换器相连接的第一电源DC1、与该第二DC-DC变换器相连接的第二电源DC2、用于控制该电容C1两端电压的控制单元101；
该第一电源DC1两端电压为VDC1，该第二电源DC2两端电压为VDC2，该电容C1两端电压为Vbus；
该第一DC-DC变换器包括变压器TX1、设于该变压器TX1初级侧的第一双向移相全桥电路、设于该变压器TX1次级侧的第二双向移相全桥电路，该变压器TX1的线圈匝比为N；该第一双向移相全桥电路包括相互串联形成第一桥臂的第一开关管Q1和第二开关管Q2、相互串联形成第二桥臂的第三开关管Q3和第四开关管Q4，该变压器TX1初级侧的一端连接至该第一桥臂的中心点上，该变压器TX1初级侧的另一端连接至该第二桥臂的中心点上；
该第二双向移相全桥电路包括相互串联形成第三桥臂的第五开关管Q5和第六开关管Q6、相互串联形成第四桥臂的第七开关管Q7和第八开关管Q8，该变压器TX1次级侧的一端设有第一电感L1，该第一电感L1连接至该第三桥臂的中心点上，该变压器TX1次级侧的另一端连接至该第四桥臂的中心点上；
该第二DC-DC变换器为非隔离DC-DC变换器，该第二DC-DC变换器包括一端连接在电容C1上的第二电感L2，并联在该第二电感L2另一端上的第九开关管Q9和第十开关管Q10；
(2)当该级联双向DC-DC变换器能量从该第一电源DC1流向该第二电源DC2时，第一开关管Q1、第四开关管Q4、第二开关管Q2、第三开关管Q3的相位对应的超前第五开关管Q5、第八开关管Q8、第六开关管Q6、第七开关管Q7的相位，该第二DC-DC变换器工作在Boost模式，该控制单元101控制该电容C1两端的电压Vbus为该第一电源DC1两端电压VDC1的N倍；
该第一DC-DC变换器中变压器TX1初级侧开关器件实现全负载软开通的限制条件为：
D σ ≥ 1 - N * V D C 1 V b u s 2 ;
该第一DC-DC变换器中变压器TX1次级侧开关器件实现全负载软开通的限制条件为：
D σ ≥ N * V D C 1 V b u s - 1 2 * N * V D C 1 V b u s ;
其中Dσ为移相角相对半个周期的占空比；
由于0≤Dσ≤1，则该第一DC-DC变换器开关器件全负载范围内实现软开通，必须满足条件：即需要控制单元101控制该电容C1两端的电压Vbus为该第一电源DC1两端电压VDC1的N倍；
同时，在传输相同功率时，当控制单元101控制该电容C1两端的电压Vbus为该第一电源DC1两端电压VDC1的N倍时，谐振电感电流有效值最小，降低了第一DC-DC变换器开关器件的开通损耗和导通损耗，以及变压器TX1的损耗，提高效率；
(3)当该级联双向DC-DC变换器能量从该第二电源DC2流向该第一电源DC1时，第一开关管Q1、第四开关管Q4、第二开关管Q2、第三开关管Q3的相位对应的滞后第五开关管Q5、第八开关管Q8、第六开关管Q6、第七开关管Q7的相位，第二DC-DC变换器工作在Buck模式，该控制单元101控制该电容C1两端的电压Vbus为该第一电源DC1两端电压VDC1的N倍；
该第一DC-DC变换器中变压器TX1初级侧开关器件实现全负载软开通的限制条件为：
D σ ≥ 1 - N * V D C 1 V b u s 2 ;
该第一DC-DC变换器中变压器TX1次级侧开关器件实现全负载软开通的限制条件为：
D σ ≥ N * V D C 1 V b u s - 1 2 * N * V D C 1 V b u s ;
其中Dσ为移相角相对半个周期的占空比；
由于0≤Dσ≤1，则该第一DC-DC变换器开关器件全负载范围内实现软开通，必须满足条件：即需要控制单元101控制该电容C1两端的电压Vbus为该第一电源DC1两端电压VDC1的N倍；
同时，在传输相同功率时，当控制单元101控制该电容C1两端的电压Vbus为该第一电源DC1两端电压VDC1的N倍时，谐振电感电流有效值最小，降低了第一DC-DC变换器开关器件的开通损耗和导通损耗，以及变压器TX1的损耗，提高效率。
在上述步骤(2)和步骤(3)中，第一开关管Q1、第四开关管Q4的驱动信号相同，且分别与第二开关管Q2、第三开关管Q3的信号相斥；第五开关管Q5、第八开关管Q8的驱动信号相同，且分别与第六开关管Q6、第七开关管Q7的信号相斥。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：
(1)设置级联双向DC-DC变换器：所述级联双向DC-DC变换器包括级联在电容两侧的第一DC-DC变换器和第二DC-DC变换器、与所述第一DC-DC变换器相连接的第一电源、与所述第二DC-DC变换器相连接的第二电源、用于控制所述电容两端电压的控制单元；
所述第一DC-DC变换器包括变压器、设于所述变压器初级侧的第一双向移相全桥电路、设于所述变压器次级侧的第二双向移相全桥电路，所述变压器的线圈匝比为N；
所述第一双向移相全桥电路包括相互串联形成第一桥臂的第一开关管和第二开关管、相互串联形成第二桥臂的第三开关管和第四开关管；
所述第二双向移相全桥电路包括相互串联形成第三桥臂的第五开关管和第六开关管、相互串联形成第四桥臂的第七开关管和第八开关管；
所述第二DC-DC变换器为非隔离DC-DC变换器；
(2)当所述级联双向DC-DC变换器能量从所述第一电源流向所述第二电源时，所述第一开关管、所述第四开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的相位对应的超前所述第五开关管、所述第八开关管、所述第六开关管、所述第七开关管的相位，所述控制单元控制所述电容两端的电压为所述第一电源两端电压的N倍，使所述级联双向DC-DC变换器的开关器件在全负载范围内实现软开关；
(3)当所述级联双向DC-DC变换器能量从所述第二电源流向所述第一电源时，所述第一开关管、所述第四开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的相位对应的滞后所述第五开关管、所述第八开关管、所述第六开关管、所述第七开关管的相位，所述控制单元控制所述电容两端的电压为所述第一电源两端电压的N倍，使所述级联双向DC-DC变换器的开关器件在全负载范围内实现软开关。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，所述第二DC-DC变换器工作在Boost模式。
3.根据权利要求1所述的一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，所述第二DC-DC变换器工作在Buck模式。
4.根据权利要求1所述的一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：在所述步骤(2)和所述步骤(3)中，所述第一开关管、所述第四开关管的驱动信号相同，且分别与所述第二开关管、所述第三开关管的信号相斥。
5.根据权利要求1所述的一种基于级联双向DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：在所述步骤(2)和所述步骤(3)中，所述第五开关管、所述第八开关管的驱动信号相同，且分别与所述第六开关管、所述第七开关管的信号相斥。
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