CN106533150B - 一种多态开关电路的互感器磁平衡方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多态开关电路的互感器磁平衡方法，包括：S1、采样互感器差模电流；S2、将所述差模电流与参考信号进行比较；S3、基于比较结果，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比以获得所述互感器的磁平衡。实施本发明的多态开关电路的互感器磁平衡方法和装置，通过采样互感器差模电流，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比，进而可以获得所述互感器的磁平衡。

Description

一种多态开关电路的互感器磁平衡方法和装置

技术领域

本发明涉及多态开关电路，更具体地说，涉及一种多态开关电路的互感器磁平衡方法和装置。

背景技术

多态开关结构通常包括互感器和一组由二极管、开关管等组成的桥臂。虽然多态开关结构中的互感器本身的磁耦合特性能够实现共模电流的均流控制，但是由于系统器件参数的离散性、电感感量偏差、电压变化、驱动延迟、死区时间等原因，会在多态开关结构中的互感器上形成低频压差。当压差产生的幅秒数乘积超出磁芯的允许值时会导致互感器饱和，导致就是实际互感器的工作最大磁感应强度B值要远高于理论计算的磁感应强度B值，严重时会导致炸机问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的多态开关结构的互感器的实际最大磁感应强度往往大于理论磁感应强度从而导致互感器炸机的缺陷，提供一种多态开关电路的互感器磁平衡方法，其能够有效地控制互感器的最大磁感应强度B值接近理论计算的磁感应强度B值，从而获得磁平衡，进而降低成本、提高功率密度及电路可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多态开关电路的互感器磁平衡方法，包括：

S1、采样互感器差模电流；

S2、将所述差模电流与参考信号进行比较；

S3、基于比较结果，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比以获得所述互感器的磁平衡。

在本发明所述的多态开关电路的互感器磁平衡方法中，所述步骤S1包括：

S11、采样所述多态开关电路的多个桥臂的总电流和任意一个桥臂上的桥臂电流；

S12、将所述总电流除以所述多个桥臂的桥臂数量以获得桥臂平均电流；

S13、将所述桥臂电流减去所述桥臂平均电流以获得所述差模电流。

在本发明所述的多态开关电路的互感器磁平衡方法中，所述步骤S1包括：

S1a、采样所述多态开关电路的第一桥臂的第一桥臂电流；

S1b、采样所述多态开关电路的第二桥臂的第二桥臂电流；

S1c、将所述第一桥臂电流和所述第二桥臂电流相减以获得所述差模电流。

在本发明所述的多态开关电路的互感器磁平衡方法中，所述步骤S1包括：

S1A、采样所述互感器的第一电流方向的第一共模磁通和第一差模磁通；

S1B、采样所述互感器的第二电流方向的第二共模磁通和第二差模磁通；

S1C、将所述第一共模磁通和所述第二共模磁通相互抵消，并且所述第一差模磁通和第二差模磁通叠加；

S1D、基于叠加的差模磁通生成所述差模电流。

在本发明所述的多态开关电路的互感器磁平衡方法中，所述步骤S1进一步包括：采用低通滤波器过滤所述差模电流

在本发明所述的多态开关电路的互感器磁平衡方法中，所述步骤S3包括：

S31、处理所述比较结果以获得与所述多态开关电路的主开关管的延迟时间成正比的处理数值；

S32、处理所述处理数值以获得表示所述处理数值正负的处理逻辑量；

S33、判断所述主开关管的正负周期从而获得周期逻辑量；

S34、基于所述处理逻辑量和所述周期逻辑量控制各个主开关管的开启和关闭；

S35、获取所述处理数值的绝对值，并将所述绝对值转换成各个主开关管的延时量以控制各个主开关管的延时。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：构造一种多态开关电路的互感器磁平衡装置，包括：

采样模块，用于采样互感器差模电流；

比较模块，将所述差模电流与参考信号进行比较；

磁平衡控制模块，用于基于比较结果，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比以获得所述互感器的磁平衡。

在本发明所述的多态开关电路的互感器磁平衡装置中，所述磁平衡控制模块包括：

控制器，用于处理所述比较结果以获得与所述多态开关电路的主开关管的延迟时间成正比的处理数值；

符号函数，用于处理所述处理数值以获得表示所述处理数值正负的处理逻辑量；

极性判断模块，用于判断所述主开关管的正负周期从而获得周期逻辑量；

真值选通模块，用于基于所述处理逻辑量和所述周期逻辑量控制各个主开关管的开启和关闭；

ABS模块，用于获取所述处理数值的绝对值，并将所述绝对值转换成各个主开关管的延时量以控制各个主开关管的延时。

在本发明所述的多态开关电路的互感器磁平衡装置中，所述真值选通模块包括：

真值表，用于基于所述处理逻辑量和所述周期逻辑量判断各个主开关模块的开启和关闭；

选通开关，用于基于判断结果控制各个主开关模块的开启和关闭。

在本发明所述的多态开关电路的互感器磁平衡装置中，所述采样模块包括：

总电流采样单元，用于采样所述多态开关电路的多个桥臂的总电流；

单个桥臂电流采样单元，用于采样所述多态开关电路的任意一个桥臂上的桥臂电流；

平均单元，用于将所述总电流除以所述多个桥臂的桥臂数量以获得桥臂平均电流；

差模电流单元，用于将所述桥臂电流减去所述桥臂平均电流以获得所述差模电流。

实施本发明的多态开关电路的互感器磁平衡方法和装置，通过采样互感器差模电流，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比，进而可以获得所述互感器的磁平衡。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的多态开关电路的互感器磁平衡方法的第一实施例的流程图；

图2是典型的多态开关电路的示意图；

图3是图2所示的多态开关电路的等效电路示意图；

图4是图2所示的多态开关电路的差模电流等效电路示意图；

图5A是图2所示的多态开关电路的占空比无重叠时的两个绕组对应的载波、调制波和占空比示意图；

图5B是图2所示的多态开关电路的占空比重叠时的两个绕组对应的载波、调制波和占空比示意图；

图6是图2所示的多态开关电路的差模电流控制环路的示意框图；

图7是图2所示的多态开关电路的差模电流控制的原理示意框图；

图8示出了本发明的多态开关电路的互感器磁平衡方法的第二实施例的流程图；

图9示出了三态I型五电平开关电路的互感器磁平衡装置的示意图；

图10示出了在加入磁平衡控制前后的互感器的磁场强度B值的对比图；

图11示出了在加入磁平衡控制前后的互感器的差模电流的对比图；

图12示出了本发明的多态开关电路的互感器磁平衡方法的第三实施例的差模电流获取的电路示意图；

图13示出了本发明的多态开关电路的互感器磁平衡方法的第四实施例的差模电流获取的电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种多态开关电路的互感器磁平衡方法。在步骤S1中，由采样模块采样互感器差模电流。在本发明中，可以采用各种方法采样互感器差模电流。在本发明的一个实施例中，可以先采样所述多态开关电路的多个桥臂的总电流。然后采样任意一个桥臂上的桥臂电流。接着，可以将所述总电流除以所述多个桥臂的桥臂数量以获得桥臂平均电流。最后将所述桥臂电流减去所述桥臂平均电流以获得所述差模电流。在本发明的另一个实施例中，可以先采样所述多态开关电路的第一桥臂的第一桥臂电流。接着采样所述多态开关电路的第二桥臂的第二桥臂电流。最后将所述第一桥臂电流和所述第二桥臂电流相减以获得所述差模电流。在本发明的再一实施例中，可以采样所述互感器的第一电流方向的第一共模磁通和第一差模磁通。然后采样所述互感器的第二电流方向的第二共模磁通和第二差模磁通。接着将所述第一共模磁通和所述第二共模磁通相互抵消，并且所述第一差模磁通和第二差模磁通叠加。最后基于叠加的差模磁通生成所述差模电流。在本发明的其他实施例中，还可以采用其他方法生成该差模电流。

在步骤S2中，比较模块将所述差模电流与参考信号进行比较。本领域技术人员可以根据实际情况设置该参考信号。在本发明中，可以将差模电流和该参考信号做差，然后将该差值作为比较结果。

在步骤S3中，磁平衡控制模块基于该比较结果，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比以获得所述互感器的磁平衡。在本发明中，由于差模电流的差值结果叠加到多态开关电路中的主开关的占空比上，从而产生实际所需要的占空比，进而控制了开关管的通断，实现了互感器的退磁，因而获得了互感器的磁平衡。

图2是典型的多态开关电路的示意图。下面将结合图2-6对本发明的多态开关电路的互感器磁平衡方法的原理进行说明。图2所示的多态开关电路为三电平三态开关电路，其中S1-S8是开关管，T是互感器，A、B两点是互感器和开关桥臂中点的交点，两个桥臂对应位置的开关管的驱动信号相差180°。除死区时间外，对于正半周，或者负半周不同的开关管导通组合共有三个等效的开关状态：即一个上管和一个内管同时导通、两个上管同时导通、两个内管同时导通，所以称为三态开关。桥臂中点A和B对应的电平数有V_b、V_c、V_N两个值，设Vb＝Vbus，Vc＝-Vbus，V_N＝0。

不论是该多态开关电路用在整流电路、逆变电路还是DC/DC变换器中，通常都需要有一个储能的电感，该电感可以是由互感器的漏感产生，也可以由独立的电感构成。对于三态开关电路的结构，三态互感器的等效结构如图3所示。A点代表图2中的桥臂中点A，B点代表图2中桥臂中点B，V_Cell_1和V_Cell_2是桥臂中点A、B的电压，L_ms是互感器的每个绕组的自感，L_com是等效的储能电感，I_Cell_1和I_Cell_2是每个绕组流过的电流，I_com是总电流。

由于关心的是磁平衡的问题，所以可以只关心其差模信号通路的工作。三态互感器差模信号的等效通路如图4所示，V_dif_1和V_dif_2是A点和B点对应的差模电压，I_dif是互感器中的差模电流，差模电流只在两个绕组间流动，不会流到图3所示的电感L_com上。

当有三电平两个绕组正半周的时候载波、调制波与不同桥臂中点电压的关系如图5A和5B所示，对应的桥臂载波移相180°，相应的驱动信号也移相180°。Carrier1和Carrier2分别为Cell_1及Cell_2的调制载波，设Cell_1对应的上管占空比为D1，对应Cell_2的上管占空比为D2，Vbus是图2b点的电压。D1和D2有三种关系，即D1<0.5、D2<0.5,D1＝D2＝0.5、D1>0.5、D2>0.5。D1＝D2＝0.5是另外两种关系的临界状态。图5A对应D1/D2<0.5占空比无交叠的情况，图5B对应D1/D2>0.5占空比有交叠的情况。

由于差模电流对应的磁感应强度B值正比于差模电流大小，所以控制平均差模电流为0就可以控制差模电流对应的磁感应强度B值为0。设L为差模通路里的总电感，T_s为开关周期，V_bus为半边母线电压，以Cell_1流出为正方向，对于占空比无重叠和有重叠两种情况，列出在一个开关周期内各个暂态的方程，分别为方程组(1)及方程组(2)。

对方程组(1)和方程组(2)两种无重叠和有重叠的两种情况，可以分别应用状态空间平均法，两者都可以得到方程(3)，由方程(3)可以反推出方程(4)。

由方程(4)可知，通过控制同一个开关周期内两个桥臂主管占空比的差可以控制差模环流的正负及大小。

为控制平均差模电流为0，需要通过反馈控制来实现，实现的控制框图示意如图6所示，差模电流的参考信号I_{Dif_ref}与采样的反馈信号I_{Dif_sam}进行比较，然后通过控制器进行调节产生占空比的偏差ΔD，ΔD作用于被控对象后反应差模信号的大小。

以图2的多态开关电路为例，设D1为Cell_1的正负半周上管占空比，D2为Cell_2的正负半周上管占空比，D为主控制器输出的上管占空比，差模电流给定是0。用于整流或者逆变电路中需要判断差模电流的方向，以图3所示的电流参考方向为例，假设用在逆变电路中，当输出电压处于正半周时差模环流控制器输出乘以1，当输出电压处于负半周时差模环流控制器输出乘以-1，其正负半周判断可以由逆变器输出电压波形极性判断得到。当用于直流-直流变换器中，相当于整流或者逆变的在正半周期或者负半周期的某一个特殊情况，具体的判断方法与整流或者逆变是相似的，此处不赘述。总的原则是差模电流需要通过绕组两端的励磁电压来退磁，使产生差模电流的磁感应强度变为零。退磁的方向由不同拓扑中开关管的通断来决定。差模电流控制的结果叠加在主控制器产生的主占空比上，产生实际需要的占空比。控制框图如图7所示。

通过以上分析可知，通过采样互感器差模电流，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比，进而可以获得所述互感器的磁平衡。因此，实施本发明的多态开关电路的互感器磁平衡方法，通过采样互感器差模电流，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比，进而可以获得所述互感器的磁平衡。

在本发明中，共模电感L_com可以是独立的电感，也可以是互感器的等效漏感，电感Lin既可以是独立的电感，也可以是电感Lc的等效漏感。本发明的方法可以用于任何的多态开关电路，例如单相和三相的三态直流-直流变换器、三态整流变换器、三态逆变变换器。本发明不受具体的多态开关电路的实现方式的限制。

图8示出了本发明的多态开关电路的互感器磁平衡方法的第二实施例的流程图。图9示出了三态I型五电平开关电路的互感器磁平衡装置的示意图。下面结合图9对本发明的互感器磁平衡方法说明如下。

图9所示的三态I型五电平开关电路可以工作在整流模式下也可以工作在逆变模式下。该三态I型五电平开关电路包含一个两绕组的互感器，为了避免互感器的磁芯饱和，需要增加互感器磁平衡装置。

在本实施例中，在步骤S1中，采用总电流采样单元采样所述多态开关电路的多个桥臂的总电流，采用单个桥臂电流采样单元采样所述多态开关电路的任意一个桥臂上的桥臂电流。在步骤S2中，采用平均单元将所述总电流除以所述多个桥臂的桥臂数量以获得桥臂平均电流。在步骤S3中采用差模电流单元将所述桥臂电流减去所述桥臂平均电流以获得所述差模电流I_Dif。在本实施例中，差模电流I_Dif含有高频分量，因此在步骤S4中，通过低通滤波器LPF过滤所述差模电流I_Dif。在步骤S5中，比较器将所述差模电流I_Dif和差模电压参考信号做比较，然后将差值送入控制器。在步骤S6中，控制器处理所述比较结果，然后获得与所述多态开关电路的主开关管的延迟时间成正比的处理数值，此数值有正有负。在步骤S7中，控制器的输出经过符号函数得到所述处理数值正负的处理逻辑量(1表示正，0表示负)。在步骤S8中，极性判断模块输出表示工频正负半周信号的周期逻辑量(1表示正，0表示负)。在步骤S9中，根据真值表(如表1所示)基于所述处理逻辑量和所述周期逻辑量判断各个主开关模块的开启和关闭，并且由选通开关，用于判断结果控制各个主开关模块的开启和关闭。在步骤S10中，ABS模块从控制器获取所述处理数值的绝对值，并将所述绝对值转换成各个主开关管的延时量以控制各个主开关管的延时。图8中虚线框所示的部分是本发明的互感器磁平衡装置。

表1

正负半周(1/0)	控制器C输出正负(1/0)	S1	S5	S4	S8
						0	0	0	0	0	1
0	1	0	0	1	0
						1	0	0	1	0	0
1	1	1	0	0	0

对图8所示的电路进行仿真，参见图10-11比较没加磁平衡控制时的磁感应强度B和加了磁平衡控制的磁芯的磁感应强度B()，除磁平衡电路外，其他的电路参数相同的情况下，由于实际系统的参数差异导致差模电流的周期平均值在-5A左右变化，加入磁平衡闭环控制后由于占空比的补偿，差模电流的周期平均值在0附近波动，幅值小于0.1A。从磁芯的磁场强度来看，没加磁平衡控制的互感器绕组的B值最大为-5.3T，加了磁平衡控制后互感器绕组的幅秒数为0.1T以内。磁平衡控制器可以减小差模电流的绝对值，因此可以大大减小互感器的尺寸。可见，磁平衡的控制对于抑制磁芯饱和，减小互感器尺寸有非常有效。

在本发明的其他实施例中，可以采用不同的方法获取差模电流。图12-13分别示出了不同的差模电流获取方法的示意图。如图12所示，首先采样所述多态开关电路的第一桥臂的第一桥臂电流。然后采样所述多态开关电路的第二桥臂的第二桥臂电流。最后将所述第一桥臂电流和所述第二桥臂电流相减以获得所述差模电流。

如图13所示，首先采样所述互感器的第一电流方向的第一共模磁通和第一差模磁通。接着采样所述互感器的第二电流方向的第二共模磁通和第二差模磁通。然后将所述第一共模磁通和所述第二共模磁通相互抵消，并且所述第一差模磁通和第二差模磁通叠加。最后基于叠加的差模磁通生成所述差模电流。而采用图13所示实施例的方法，使绕组1与绕组2的共模磁通抵消，差模磁通叠加，从而使采样信号转换为单独的小信号，这样有利于实际采样精度的提高。图12-13所示实施例的具体磁平衡控制方法和装置的步骤、结构和原理可以参见对图1-8所示实施例的描述。

基于本发明的教导，本领域技术人员能够构造本发明所述的多态开关电路的互感器磁平衡方法和装置。实施本发明的多态开关电路的互感器磁平衡方法和装置，通过采样互感器差模电流，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比，进而可以获得所述互感器的磁平衡。通过本发明的互感器磁平衡方法和装置，能够避免互感器的磁芯偏磁，避免磁芯的饱和，大大减小磁芯的尺寸，提高系统可靠性，降低成本。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (8)

1.一种多态开关电路的互感器磁平衡方法，其特征在于，包括：

S1、采样互感器差模电流；

S2、将所述差模电流与参考信号进行比较；

S3、基于比较结果，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比以获得所述互感器的磁平衡；

其中所述步骤S3包括：

S31、处理所述比较结果以获得与所述多态开关电路的主开关管的延迟时间成正比的处理数值；

S32、处理所述处理数值以获得表示所述处理数值正负的处理逻辑量；

S33、判断所述主开关管的正负周期从而获得周期逻辑量；

S34、基于所述处理逻辑量和所述周期逻辑量控制各个主开关管的开启和关闭；

S35、获取所述处理数值的绝对值，并将所述绝对值转换成各个主开关管的延时量以控制各个主开关管的延时。

2.根据权利要求1所述的多态开关电路的互感器磁平衡方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、采样所述多态开关电路的多个桥臂的总电流和任意一个桥臂上的桥臂电流；

S12、将所述总电流除以所述多个桥臂的桥臂数量以获得桥臂平均电流；

S13、将所述桥臂电流减去所述桥臂平均电流以获得所述差模电流。

3.根据权利要求1所述的多态开关电路的互感器磁平衡方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S1a、采样所述多态开关电路的第一桥臂的第一桥臂电流；

S1b、采样所述多态开关电路的第二桥臂的第二桥臂电流；

S1c、将所述第一桥臂电流和所述第二桥臂电流相减以获得所述差模电流。

4.根据权利要求1所述的多态开关电路的互感器磁平衡方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S1A、采样所述互感器的第一电流方向的第一共模磁通和第一差模磁通；

S1B、采样所述互感器的第二电流方向的第二共模磁通和第二差模磁通；

S1C、将所述第一共模磁通和所述第二共模磁通相互抵消，并且所述第一差模磁通和第二差模磁通叠加；

S1D、基于叠加的差模磁通生成所述差模电流。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的多态开关电路的互感器磁平衡方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：采用低通滤波器过滤所述差模电流。

6.一种多态开关电路的互感器磁平衡装置，其特征在于，包括：

采样模块，用于采样互感器差模电流；

比较模块，将所述差模电流与参考信号进行比较；

磁平衡控制模块，用于基于比较结果，控制所述多态开关电路的桥臂的主开关管的占空比以获得所述互感器的磁平衡；

其中所述磁平衡控制模块包括：

控制器，用于处理所述比较结果以获得与所述多态开关电路的主开关管的延迟时间成正比的处理数值；

符号函数，用于处理所述处理数值以获得表示所述处理数值正负的处理逻辑量；

极性判断模块，用于判断所述主开关管的正负周期从而获得周期逻辑量；

真值选通模块，用于基于所述处理逻辑量和所述周期逻辑量控制各个主开关管的开启和关闭；

ABS模块，用于获取所述处理数值的绝对值，并将所述绝对值转换成各个主开关管的延时量以控制各个主开关管的延时。

7.根据权利要求6所述的多态开关电路的互感器磁平衡装置，其特征在于，所述真值选通模块包括：

真值表，用于基于所述处理逻辑量和所述周期逻辑量判断各个主开关模块的开启和关闭；

选通开关，用于基于判断结果控制各个主开关模块的开启和关闭。

8.根据权利要求6所述的多态开关电路的互感器磁平衡装置，其特征在于，所述采样模块包括：

总电流采样单元，用于采样所述多态开关电路的多个桥臂的总电流；

单个桥臂电流采样单元，用于采样所述多态开关电路的任意一个桥臂上的桥臂电流；

平均单元，用于将所述总电流除以所述多个桥臂的桥臂数量以获得桥臂平均电流；

差模电流单元，用于将所述桥臂电流减去所述桥臂平均电流以获得所述差模电流。