CN105610337A - 一种通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，前K-1个Boost回路中，将每路输出电容电压的给定基准值与采样值作比较，其差值与输入总误差作比较，最终得到相应电感电流峰值基准Isetk，电感电流峰值基准Isetk与采样所得电感电流值比较并控制相应回路主开关管；最后1个Boost回路中，通过总输出电容电压设定值与采样值的比较，得到总的差值，其在与每一路Boost回路的电容电压比较差值之和相加，经PI调节后，得到相应电感电流峰值基准Isetk，之后控制方式与前K-1路相同。本发明，加快了输出电容均压的速度和稳定性，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。

Description

一种通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法
技术领域
本发明涉及电气工程多电平变换器领域，具体说是一种通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法。
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。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，采用输入并联输出串联结构(InputParallelandOutputSeries，IPOS)，输入电压很低，而输出电压可以非常高，且共用一个电感，不仅减少了电感数量，也节约了成本。但L型多电平Boost变换器电路由于杂散参数、输出电容个体的实际差别等因素造成的各个输出电容上的电压不均衡，这样可能会造成部分功率开关器件上的电压过高，超过阈值，从而损坏功率开关器件。同样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，各个功率开关器件的电压应力均衡。对于IPOS结构的电路来说，保证输入均流即保证了输出均压，保证输出均压也即保证了输出均流。
现有方案是通过对输出电容上电压的控制以实现均压，以此来保证L型多电平Boost变换器电路的正常工作。这种方法相对而言控制较为简单，更加容易实现，但控制的速度较慢。如图1所示。
L型多电平Boost变换器(L型多电平升压变换器)的K个Boost回路中，只需要K-1个输出均压环，1个共用的输出电压环。前K-1个Boost回路中，控制方法相同，将每路输出电容电压的给定基准值设为Vof/K，与每路输出电容电压的采样值作比较，其差值与输入总误差作比较，其差值通过PI控制器和比较器得到相应的占空比用以控制相应开关管。最后1个Boost回路中，通过总输出电容电压设定值与采样值的比较，得到总的差值，其再与每一路Boost回路的输出电容电压比较差值之和相加，经PI调节后，与调制波比较，可以得到该路主开关管的控制脉冲。该控制策略中，每个调制锯齿波(或三角波)相位相差一个小周期TC，以此实现K路Boost回路的交错控制。
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一种通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，加快了输出电容均压的速度和稳定性，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。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，其特征在于，具体步骤为：
设定每个电容电压均衡设定值为总电压采样值Vof的1/k，k为输出的串联电容的个数，
电路开始工作时，通过电压采样传感器或霍尔分别对电容电压采样，采样值分别为Vcf(k-1)，……，Vcf1，
通过电压采样传感器对总电压进行采样，采样值为Vof；
前K-1个Boost回路中，控制方法相同：将每路输出电容电压的给定基准值设为Vof/K，与每路输出电容电压的采样值作比较，其差值与输入总误差作比较，通过PI控制器和比较器得到相应电感电流峰值基准Isetk，
电感电流峰值基准Isetk与采样所得电感电流值比较，在每个时钟开关周期之初，由时钟脉冲置位RS触发器，控制相应回路主开关管导通，接着电感电流上升，大于峰值给定Isetk时，比较器翻转并复位RS触发器，使相应回路主开关管关断；
最后1个Boost回路中，通过总输出电容电压设定值与采样值的比较，得到总的差值，其在与每一路Boost回路的电容电压比较差值之和相加，经PI调节后，得到相应电感电流峰值基准Isetk，之后控制方式与前K-1路相同。
在上述技术方案的基础上，所述L-Boost多电平电路中包括：
串联电容Ck，C(k-1)，……，C1，
输出的串联电容C(k-1)，……，C1的电压采样传感器或霍尔SV(k-1)，……，SV1，
输出总电压的电压采样传感器SVT，
电感的电流采样传感器SA，
纵轴上的开关器件Sk2，S(k-1)2，……，S22，
横轴上的开关器件Sk1，S(k-1)1，……，S21，
横轴上并联的开关器件Sk3，S(k-1)3，……，S23，
横轴上的二极管Dk4，D(k-1)4，……，D24。
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，前K-1个Boost回路中，时钟频率与总开关频率相同。
在上述技术方案的基础上，当由时钟脉冲置位RS触发器时，需将脉宽为T/K的时钟脉冲分别移相(k-1)360/k度，然后和比较器所得时钟脉冲进行与运算，以保证每个回路中，主开关在一个周期内只动做一次。
在上述技术方案的基础上，开关器件控制时序如下：
初始开关管Sk1，S(k-1)1，……，S21全部开通，开关管Sk3，S(k-1)3，……，S23全部关断，开关管Sk2，S(k-1)2，……，S22也全部关断；
输入通过二极管Dk4，D(k-1)4，……，D34和开关管Sk1，S(k-1)1，……，S21形成回路，给电感LA充能；
然后S23关断，输入和电感LA通过二极管Dk4，D(k-1)4，……，D24和开关管Sk1，S(k-1)1，……，S21形成回路，同时给C1电容充电；
电路通过峰值电流控制方法来控制主开关管S23开通关断时间，使电容电压在均衡值；
然后开关管S23开通，输入给电感LA充能；
接着关断开关管S21，开通开关管S33和S22，输入通过二极管Dk4，D(k-1)4，……，D34和开关管Sk1，S(k-1)1，……，S22形成回路，给电容C1充电；
电路通过峰值电流控制方法来控制主开关管S21开通关断时间，使电容电压在均衡值；
后续工作情况相同，电路通过峰值电流控制方法依次控制主开关管S23、S21、S31、……、Sk1开通关断时间，来控制输出均压，输入均流。
在上述技术方案的基础上，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。
本发明所述的通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，加快了输出电容均压的速度和稳定性，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。
附图说明
本发明有如下附图：
图1L型多电平Boost变换器电路现有输出电容上电压控制示意图。
图2本发明的原理图。
图3控制方式示意图。
图4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。
本发明所述的通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，所述L-Boost多电平电路如图2所示，包括：
串联电容Ck，C(k-1)，……，C1，
输出的串联电容C(k-1)，……，C1的电压采样传感器或霍尔SV(k-1)，……，SV1，
输出总电压的电压采样传感器SVT，
电感的电流采样传感器SA，
纵轴上的开关器件Sk2，S(k-1)2，……，S22，一般选用MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)或是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，其中Sk2为最上端开关器件，由于并不会双向工作，所以可以选择二极管以降低成本，
横轴上的开关器件Sk1，S(k-1)1，……，S21，一般选用MOSFET或是IGBT，
横轴上并联的开关器件Sk3，S(k-1)3，……，S23，一般选用MOSFET或是IGBT，
横轴上的二极管Dk4，D(k-1)4，……，D24。
如图3所示，具体步骤为：
设定每个电容电压均衡设定值为总电压采样值Vof的1/k，k为输出的串联电容的个数，
电路开始工作时，通过电压采样传感器或霍尔SV(k-1)，……，SV1分别对电容电压采样，采样值分别为Vcf(k-1)，……，Vcf1，
通过电压采样传感器SVT对总电压进行采样，采样值为Vof；
前K-1个Boost回路中，控制方法相同：将每路输出电容电压的给定基准值设为Vof/K，与每路输出电容电压的采样值作比较，其差值与输入总误差作比较，通过PI控制器和比较器得到相应电感电流峰值基准Isetk，其波形如图4中ILA所示；
电感电流峰值基准Isetk与采样所得电感电流值比较，在每个时钟(CLK)开关周期之初，由时钟脉冲置位RS触发器，控制相应回路主开关管导通，接着电感电流上升，大于峰值给定Isetk时，比较器翻转并复位RS触发器，使相应回路主开关管关断；其中，时钟(CLK)频率与总开关频率相同；
由于L型多电平(k+1电平)升压电路中，总周期为T，每个回路仅在T/k的时间内工作；在一个周期内，会有k次达到峰值给定Isetk，所以，当由时钟脉冲置位RS触发器时，需将脉宽为T/K的时钟脉冲分别移相(k-1)360/k度，然后和比较器所得时钟脉冲进行与运算(AND)，以保证每个回路中，主开关在一个周期内只动做一次；
最后1个Boost回路中，通过总输出电容电压设定值与采样值的比较，得到总的差值，其在与每一路Boost回路的电容电压比较差值之和相加，经PI调节后，得到相应电感电流峰值基准Isetk，之后控制方式与前K-1路相同。
在上述技术方案的基础上，如图4所示，开关器件控制时序如下：
初始开关管Sk1，S(k-1)1，……，S21全部开通，开关管Sk3，S(k-1)3，……，S23全部关断，开关管Sk2，S(k-1)2，……，S22也全部关断；
输入通过二极管Dk4，D(k-1)4，……，D34和开关管Sk1，S(k-1)1，……，S21形成回路，给电感LA充能；
然后S23关断，输入和电感LA通过二极管Dk4，D(k-1)4，……，D24和开关管Sk1，S(k-1)1，……，S21形成回路，同时给C1电容充电；
电路通过峰值电流控制方法来控制主开关管S23开通关断时间(占空比)，使电容电压在均衡值(附近)；
然后开关管S23开通，输入给电感LA充能；
接着关断开关管S21，开通开关管S33和S22，输入通过二极管Dk4，D(k-1)4，……，D34和开关管Sk1，S(k-1)1，……，S22形成回路，给电容C1充电；
电路通过峰值电流控制方法来控制主开关管S21开通关断时间(占空比)，使电容电压在均衡值(附近)；
后续工作情况相同，电路通过峰值电流控制方法依次控制主开关管S23、S21、S31、……、Sk1开通关断时间(占空比)，来控制输出均压，输入均流。
在上述技术方案的基础上，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。
本发明采用电压采样传感器或霍尔对K-1个输出电容(指输出的串联电容C(k-1)，……，C1)上的电压进行采样，并用一个电压采样传感器对输出总电压采样。输出电容数量为K，采用的霍尔或电压传感器的数量为K。本发明采用电流传感器对电感电流进行采样，电流传感器数量为1。
通过电压的采样值比较产生电流峰值基准，与电感电流采样值比较，控制电流峰值，以保证各回路输入电流均流，从而保证各个电容上电压平衡。这种控制方式调节追踪速度快，可以很快的实现电压均衡。
该方案的缺点是采用的采样等器件太多，由于是多电平拓扑，K电平的话，会使用K个电压采样传感器和1个电流传感器，会使成本增加较多。
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 (7)

1.一种通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，其特征在于，具体步骤为：
设定每个电容电压均衡设定值为总电压采样值Vof的1/k，k为输出的串联电容的个数，
电路开始工作时，通过电压采样传感器或霍尔分别对电容电压采样，采样值分别为Vcf(k-1)，……，Vcf1，
通过电压采样传感器对总电压进行采样，采样值为Vof；
前K-1个Boost回路中，控制方法相同：将每路输出电容电压的给定基准值设为Vof/K，与每路输出电容电压的采样值作比较，其差值与输入总误差作比较，通过PI控制器和比较器得到相应电感电流峰值基准Isetk，
电感电流峰值基准Isetk与采样所得电感电流值比较，在每个时钟开关周期之初，由时钟脉冲置位RS触发器，控制相应回路主开关管导通，接着电感电流上升，大于峰值给定Isetk时，比较器翻转并复位RS触发器，使相应回路主开关管关断；
最后1个Boost回路中，通过总输出电容电压设定值与采样值的比较，得到总的差值，其在与每一路Boost回路的电容电压比较差值之和相加，经PI调节后，得到相应电感电流峰值基准Isetk，之后控制方式与前K-1路相同。
2.如权利要求1所述的通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，其特征在于：所述L-Boost多电平电路中包括：
串联电容Ck，C(k-1)，……，C1，
输出的串联电容C(k-1)，……，C1的电压采样传感器或霍尔SV(k-1)，……，SV1，
输出总电压的电压采样传感器SVT，
电感的电流采样传感器SA，
纵轴上的开关器件Sk2，S(k-1)2，……，S22，
横轴上的开关器件Sk1，S(k-1)1，……，S21，
横轴上并联的开关器件Sk3，S(k-1)3，……，S23，
横轴上的二极管Dk4，D(k-1)4，……，D24。
3.如权利要求2所述的通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，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。
4.如权利要求1所述的通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，其特征在于：前K-1个Boost回路中，时钟频率与总开关频率相同。
5.如权利要求1所述的通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，其特征在于：当由时钟脉冲置位RS触发器时，需将脉宽为T/K的时钟脉冲分别移相(k-1)360/k度，然后和比较器所得时钟脉冲进行与运算，以保证每个回路中，主开关在一个周期内只动做一次。
6.如权利要求2所述的通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，其特征在于：开关器件控制时序如下：
初始开关管Sk1，S(k-1)1，……，S21全部开通，开关管Sk3，S(k-1)3，……，S23全部关断，开关管Sk2，S(k-1)2，……，S22也全部关断；
输入通过二极管Dk4，D(k-1)4，……，D34和开关管Sk1，S(k-1)1，……，S21形成回路，给电感LA充能；
然后S23关断，输入和电感LA通过二极管Dk4，D(k-1)4，……，D24和开关管Sk1，S(k-1)1，……，S21形成回路，同时给C1电容充电；
电路通过峰值电流控制方法来控制主开关管S23开通关断时间，使电容电压在均衡值；
然后开关管S23开通，输入给电感LA充能；
接着关断开关管S21，开通开关管S33和S22，输入通过二极管Dk4，D(k-1)4，……，D34和开关管Sk1，S(k-1)1，……，S22形成回路，给电容C1充电；
电路通过峰值电流控制方法来控制主开关管S21开通关断时间，使电容电压在均衡值；
后续工作情况相同，电路通过峰值电流控制方法依次控制主开关管S23、S21、S31、……、Sk1开通关断时间，来控制输出均压，输入均流。
7.如权利要求2所述的通过峰值电流控制L-Boost多电平电路输出均压的方法，其特征在于：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。
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