CN107070241A - 航空双有源桥变换器功率器件的热平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空双有源桥变换器功率器件的热平衡控制方法，用于解决现有热平衡控制方法复杂的技术问题。技术方案是在双重移相控制方法的基础上，分析轻载条件下的软开关状态，提出一种目的为平衡轻载条件下桥臂开关损耗，通过两种调节模式调整桥臂的超前、滞后关系的控制思路，在以低压侧输入电压U₂＝28V，高压侧输出电压U₁＝270V，满载输出功率750W的实验样机，型号为TMS320f28069的控制器的基础上，减小了功率开关管应力，平衡了开关器件的热损耗，提高了整个变换器的效率，方法简单。

Description

航空双有源桥变换器功率器件的热平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种热平衡控制方法，特别涉及一种航空双有源桥变换器功率器件的热平衡控制方法。

背景技术

由于传统PWM控制方式传输功率范围的局限和较大的电磁干扰，移相控制成为DABDC-DC变换器最常用的控制策略，其分为单移相(Single-Phase-Shift，SPS)控制、扩展移相(Extended-Phase-Shift，EPS)控制、双重移相(Dual-Phase-Shift，DPS)控制以及三重移相(Triple-Phase-Shift，TPS)控制等。SPS控制是使用最广泛最常规的控制方式，但在要求高性能的场合存在很多缺点，如控制策略效率低，回流功率较大，开关器件的应力过大的局限性从而使用较少，EPS控制、DPS控制以及TPS控制由于其容易实现软开关，较好地解决了功率回流以及提升了动态性能在工业领域广泛应用。然而、无论是哪一种先进的控制策略，在高频变压器一次侧都存在超前桥臂和滞后桥臂，它们的软开关情况是不相同的，以至于在变压器变比k(k＝nU₁/U₂)是输入和输出电压调节比)≠1时，负载率小于0.5时会产生开关管热损耗的增加，从而降低电路的效率。

文献1“双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器及其功率回流特性分析，中国电机工程学报，2012，Vol32(12)，p43-50”中所提出的控制方法为现如今航空DAB DC-DC变换器最常用的一种控制方式，通过分析电路的输出功率与硬件参数确定软开关实现范围，从而确定控制信号移相角的控制方式实现控制目的。

对于DAB DC-DC变换器功率Mosfet的热损耗主要分为导通损耗和开关损耗，开关损耗主要取决于功率Mosfet由开通到关断(或关断到开通)期间内，加在其两端的电压V_DS和通过Mosfet的电流I_d决定的。

超前桥臂与滞后桥臂都工作在硬开关状态，但滞后桥臂的开关损耗比超前桥臂更大。

以升压模式为例，传统控制方法下低压侧Q₁和Q₂作为超前桥臂工作。Q₃和Q₄作为滞后桥臂。滞后桥臂的重叠区域相比超前区域更大，开关损耗也更大，因此正是由于这种开关情况的不平衡导致了功率器件的热不平衡。

这种不平衡产生的原因不仅是由于在轻载条件下软开关的条件的差异导致的，而且由于Mosfet开通、关断时不同的漏源电压V_DS也导致了功率器件的电压应力有所差异。这种差异导致的超前桥臂与滞后桥臂的实际热不平衡，作为滞后桥臂的Q₃和Q₄相比作为超前桥臂的Q₁和Q₂，热损耗明显更高。

此控制方式在轻载条件下的软开关范围变得急剧减小，这是由于在分析DAB DC-DC变换器的软开关条件时忽略了Mosfet并联缓冲电容(C_D1-C_D4，C_M1-C_M4)在桥臂上下管的开通、关断瞬间，也就是死区时间内的充放电情况对Mosfet开通、关断的影响。且在轻载条件下，软开关范围缩小，尤其是滞后桥臂的软开关条件更为苛刻，在固定条件下滞后桥臂更难实现软开关，从而造成开关噪声的增加以及功率器件的热不平衡，增加了器件的应力，减少了电路的寿命。而在对功率器件可靠性要求极高的航空航天领域中，传统的控制方法无法解决在航空电气系统高压直流母线与做动类电气负载能量可靠流动的问题。变换器开关器件的热应力始终是一个难题需要解决，现有技术为了解决这一问题，降低开关损耗，实现软开关实现区域最大化，从建模方法从时域到频域进行软开关条件推导，利用各种调制补偿技术，控制移向角的优化条件去实现损耗控制。如文献2“基于双重移相控制的双有源桥DC-DC变换器的软开关，电工技术学报，2015，Vol30(12)，p106-113”中所提到的硬件方法，通过对变换器磁性元件参数进行计算设计，实现了轻载条件下提高变换器效率和软开关实现范围的目标。但是此方法存在实现过程较为复杂，工程实现过于繁琐的缺点，且会导致难以在现有设备中实现改造的缺陷。

发明内容

为了克服现有热平衡控制方法复杂的不足，本发明提供一种航空双有源桥变换器功率器件的热平衡控制方法。该方法在双重移相控制方法的基础上，分析轻载条件下的软开关状态，提出一种目的为平衡轻载条件下桥臂开关损耗，通过两种调节模式调整桥臂的超前、滞后关系的控制思路，在以低压侧输入电压U₂＝28V，高压侧输出电压U₁＝270V，满载输出功率750W的实验样机，型号为TMS320f28069的控制器的基础上，减小了功率开关管应力，平衡了开关器件的热损耗，提高了整个变换器的效率，方法简单。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种航空双有源桥变换器功率器件的热平衡控制方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、硬件平台基础。

航空双有源桥变换器硬件平台功率电路部分包含两个全桥电路、一个功率高频变压器和一个功率电感。采样及控制电路对输入和输出的电压信号进行采样和调理，并将处理过的弱电信号送入以TMS320f28069为核心的控制器中的模数转换器进行运算，处理结果通过PWM模块输出口输出相对应的控制信号。同时应用高速光耦实现数字信号的隔离，利用驱动芯片对每个全桥电路中的开关管进行驱动控制。

步骤二、热平衡控制策略软件实现方法。

进行系统初始化，包括TMS320F28069正常运行的系统函数的调用。进行增强型脉冲宽度调制器ePWM的1～4通道进行初始化，包括控制脉冲信号的占空比、频率、死区时间、ePWMA和ePWMB运行方式。启用PIE中断，使能TMS320F28069的外设中断，再初始化ADC，定义ADC采样频率为5KHz、采样方式为顺序采样，同时使能ADCSOC使能采样通道，并进入等待AD中断状态。

ADC采样512个值后进入AD中断，由于DAB双向DC-DC变换器输出电压有开关管开关时的瞬态干扰，因此对采样值进行调整，将此512点进入快速排序，最终取中间256个点的平均值作为采样结果与参考值比较，确定PI调节函数的输出量，对系统进行闭环控制。

闭环控制分为两个控制分支，分别为电压控制环和热平衡控制环，电压控制环控制输出电压的恒定，热平衡控制环用来确定热平衡控制命令，根据时基交替模式和温度反馈模式两种工作模式对功率开关管进行温度控制，其中对移相后的PWM波形进行补偿，抵消转换瞬间的功率偏置。相比于通常使用的ESP控制策略下的电路设计，该方案下DSP控制器内部的ADC采集输出电压信号，与参考信号生成误差信号，紧接着控制器发出相对应控制信号作用于PWM控制器来调节输出参数。于此同时，控制器根据时基控制信号或者温度反馈信号发出控制命令0或1。控制命令为0时：S₁、S₂(Q₁、Q₂)作为超前桥臂，S₃、S₄(Q₃、Q₄)作为滞后桥臂；控制命令为1时：S₃、S₄(Q₃、Q₄)作为超前桥臂，S₁、S₂(Q₁、Q₂)作为滞后桥臂。

(1)模式1—时基交替控制模式：该模式下，通过配置TMS320f28069内的定时器，配置交替运行的时间周期，每当计数器达到每个时间周期的终点，控制命令由0转换为1或者由1转换为0，转换结束后计数器清零，进入新的时间周期计数，达到交替改变桥臂的超前、滞后关系，设定时间周期为5ms。

(2)模式2—温度反馈控制模式：该模式下，需要先分别对超前、滞后桥臂的功率Mosfet进行温度采样，随后根据采样结果进行处理后改变系统的控制命令。温度采样电路主要由两个含有相同热敏电阻网络的差分放大器组成，通过求得采样电压与基准电压的差值进行相应倍数的放大后得到DSP采样的电压值Tmp1和Tmp2，Tmp1和Tmp2分别用来反映桥臂S₁、S₂(Q₁、Q₂)和S₃、S₄(Q₃、Q₄)的热损耗情况。当Δt≥2℃时，控制命令由0转换为1或者由1转换为0，从而达到功率器件的热损耗平衡。

在通过控制命令调节一次侧两桥臂PWM超前、滞后关系的过程控制中，当控制命令由0变为1时，若不对瞬态的控制信号进行合理的控制直接改变移相关系，会使此刻一个T_s内超前桥臂的开通状态延长2D₁T_s，滞后桥臂的开通状态不变，导致变压器一次侧电压不平衡产生直流分量，功率传输突变，会进一步造成功率器件的工作应力和损耗。

对控制命令发出后PWM改变移相关系的瞬态过程控制进行优化，在控制命令由0变为1时，延长一个T_s内超前桥臂的开通状态D₁T_s，与此同时将滞后桥臂在此时T_s时间内的开通状态缩短D₁T_s，达到变压器一次侧电压状态不变，从而平滑地过度到第二种工作状态。

本发明的有益效果是：该方法在双重移相控制方法的基础上，分析轻载条件下的软开关状态，提出一种目的为平衡轻载条件下桥臂开关损耗，通过两种调节模式调整桥臂的超前、滞后关系的控制思路，在以低压侧输入电压U₂＝28V，高压侧输出电压U₁＝270V，满载输出功率750W的实验样机，型号为TMS320f28069的控制器的基础上，减小了功率开关管应力，平衡了开关器件的热损耗，提高了整个变换器的效率，方法简单。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明航空双有源桥变换器功率器件的热平衡控制方法的流程图。

图2是本发明方法所应用的场合：DAB DC-DC变换器的拓扑图。

图3是本发明方法的控制框图。

图4是本发明方法热平衡移相控制策略框图。

图5是本发明方法拓扑中功率Mosfet电流与温升速率曲线(IRFP4310z)。

图6是本发明方法轻载条件下超前桥臂(a)与滞后桥臂(b)的开关波形。

图7是本发明方法实验样机温度采样电路原理图。

图8是本发明方法对比传统控制方法的效率曲线。

图9是本发明方法在模式转换状态时电路工作波形，(a)传统移相算法波形图，(b)优化后移相算法波形图。

具体实施方式

参照图1-9。本发明航空双有源桥变换器功率器件的热平衡控制方法具体步骤如下：

1、硬件平台基础。

实验用航空双有源桥变换器硬件平台功率电路部分主要包含两个全桥电路、一个功率高频变压器和一个功率电感。采样及控制电路对输入和输出的电压信号进行采样和调理，并将处理过的弱电信号送入以TMS320f28069为核心的控制器中的模数转换器进行运算，处理结果通过PWM模块输出口输出相对应的控制信号。同功率电路部分主要包含两个全桥电路、一个功率高频变压器和一个功率电感。对输入和输出的电压信号进行采样和调理，并将处理过的弱电信号送入TMS320f28069的控制器中的模数转换器进行运算，处理结果通过PWM模块输出口输出相对应的控制信号。同时应用高速光耦实现数字信号的隔离，利用专用的驱动芯片对每个全桥电路中的开关管进行驱动控制。表1为变换器样机相关参数。

表1实验样机参数

2、热平衡控制策略软件实现方法。

首先进行系统初始化，其中包括TMS320F28069正常运行的系统函数的调用。接下来进行增强型脉冲宽度调制器ePWM的1～4通道进行初始化，其中包括控制脉冲信号的占空比、频率、死区时间、ePWMA和ePWMB运行方式等参数。接下来启用PIE中断，使能TMS320F28069的外设中断，再初始化ADC，定义ADC采样频率为5KHz、采样方式为顺序采样，同时使能ADCSOC使能采样通道，并进入等待AD中断状态。

ADC采样512个值后进入AD中断，由于DAB双向DC-DC变换器输出电压有开关管开关时的瞬态干扰，因此需要对采样值进行调整，具体方法是将此512点进入快速排序，最终取中间256个点的平均值作为采样结果与参考值比较，从而确定PI调节函数的输出量，对系统进行闭环控制。

闭环控制分为两个控制分支，分别为电压控制环和热平衡控制环，电压控制环控制输出电压的恒定，热平衡控制环用来确定热平衡控制命令，根据时基交替模式和温度反馈模式两种工作模式对功率开关管进行温度控制，其中对移相后的PWM波形进行补偿，抵消转换瞬间的功率偏置。相比于通常使用的ESP控制策略下的电路设计，该方案下DSP控制器内部的ADC采集输出电压信号，与参考信号生成误差信号，紧接着控制器发出相对应控制信号作用于PWM控制器来调节输出参数。于此同时，控制器根据时基控制信号或者温度反馈信号发出控制命令0或1。控制命令为0时：S₁、S₂(Q₁、Q₂)作为超前桥臂，S₃、S₄(Q₃、Q₄)作为滞后桥臂；控制命令为1时：S₃、S₄(Q₃、Q₄)作为超前桥臂，S₁、S₂(Q₁、Q₂)作为滞后桥臂。

(1)模式1—时基交替控制模式：该模式下，通过配置TMS320f28069内的定时器，配置交替运行的时间周期，每当计数器达到每个时间周期的终点，控制命令由0转换为1或者由1转换为0，转换结束后计数器清零，进入新的时间周期计数，从而达到交替改变桥臂的超前、滞后关系，在本文中设定的时间周期为5ms。

(2)模式2—温度反馈控制模式：该模式下，需要先分别对超前、滞后桥臂的功率Mosfet进行温度采样，随后根据采样结果进行处理后改变系统的控制命令。温度采样电路主要由两个含有相同热敏电阻网络的差分放大器组成，通过求得采样电压与基准电压的差值进行相应倍数的放大后得到DSP采样的电压值Tmp1和Tmp2，Tmp1和Tmp2分别用来反映桥臂S₁、S₂(Q₁、Q₂)和S₃、S₄(Q₃、Q₄)的热损耗情况。当Δt≥2℃时，控制命令由0转换为1或者由1转换为0，从而达到功率器件的热损耗平衡。

在通过控制命令调节一次侧两桥臂PWM超前、滞后关系的过程控制中，并非简单的直接改变移相关系就可以保持电路的平稳运行，当控制命令由0变为1时，若不对瞬态的控制信号进行合理的控制直接改变移相关系，会使此刻一个T_s内超前桥臂的开通状态延长2D₁T_s，滞后桥臂的开通状态不变，导致变压器一次侧电压不平衡产生直流分量，功率传输突变，会进一步造成功率器件的工作应力和损耗。

在本文提出的新型热平衡移相控制方法中，对控制命令发出后PWM改变移相关系的瞬态过程控制进行了优化，在控制命令由0变为1时，延长一个T_s内超前桥臂的开通状态D₁T_s，与此同时将滞后桥臂在此时T_s时间内的开通状态缩短D₁T_s，从而达到变压器一次侧电压状态不变，从而平滑地过度到第二种工作状态。控制命令由1变为0的转换方式与此相同。通过该方法，保证了变换器的稳定性，进一步降低了功率器件的开关应力，提高整个变换器的效率。

本发明的效果。

变换器正常升压模式满载工作时，低压侧输入电压U₂＝28V，高压侧输出电压U₁＝270V，满载输出功率750W，效率93％。当控制信号由0变为1时，原超前桥臂Q₁、Q₂变为滞后桥臂，原滞后桥臂Q₃、Q₄变为超前桥臂，在过程的转换中，功率传输基本保持稳定运行，输出电压恒定不变。

由本发明提出的两种热平衡移相控制方式与传统ESP控制在变换器工作在轻载状态下(负载率10％)运行5min后的热分析图的对比下，传统ESP控制模式下的工况，超前桥臂Q₁、Q₂温度为36.9℃，滞后桥臂Q₃、Q₄由于谐振电流更接近于零导致难以实现软开关，从而增大了开关应力和损耗，其温度为47.3℃，△T＝10.4℃；Q₁、Q₂作为滞后桥臂时△T＝8.9℃。时基交替模式下(转换周期为5ms)，在保证电路平稳工作的前提下，比传统的ESP控制热损耗下降了很多，桥臂Q₁、Q₂温度为37.1℃，桥臂Q₃、Q₄温度为39.6℃，△T＝10.4℃。桥臂间虽然仍有较小的温差，但以大体解决了热不平衡问题。温度反馈控制模式下，桥臂Q₁、Q₂温度为38.0℃，桥臂Q₃、Q₄温度为36.6℃，△T＝1.4℃，桥臂间的热损耗基本达到平衡，于此同时通过本发明提出控制方法的实验结果，DAB DC-DC变换器在整体损耗也有明显地下降。

表2是通过对全负载范围内的工作效率的测试结果表格。

表2三种控制方式下的效率

在负载率较高时，两种热平衡移相控制方式对系统的效率提升并不明显，而在轻载条件下(负载率小于20％)，时基交替控制与温度反馈控制方式下的DAB DC-DC变换器地效率有明显的提升，使用温度反馈控制方法相比使用时基交替控制方法时效率还要略高一点。

Claims (1)

1.一种航空双有源桥变换器功率器件的热平衡控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、硬件平台基础；

航空双有源桥变换器硬件平台功率电路部分包含两个全桥电路、一个功率高频变压器和一个功率电感；采样及控制电路对输入和输出的电压信号进行采样和调理，并将处理过的弱电信号送入以TMS320f28069为核心的控制器中的模数转换器进行运算，处理结果通过PWM模块输出口输出相对应的控制信号；同时应用高速光耦实现数字信号的隔离，利用驱动芯片对每个全桥电路中的开关管进行驱动控制；

步骤二、热平衡控制策略软件实现方法；

进行系统初始化，包括TMS320F28069正常运行的系统函数的调用；进行增强型脉冲宽度调制器ePWM的1～4通道进行初始化，包括控制脉冲信号的占空比、频率、死区时间、ePWMA和ePWMB运行方式；启用PIE中断，使能TMS320F28069的外设中断，再初始化ADC，定义ADC采样频率为5KHz、采样方式为顺序采样，同时使能ADCSOC使能采样通道，并进入等待AD中断状态；

ADC采样512个值后进入AD中断，由于DAB双向DC-DC变换器输出电压有开关管开关时的瞬态干扰，因此对采样值进行调整，将此512点进入快速排序，最终取中间256个点的平均值作为采样结果与参考值比较，确定PI调节函数的输出量，对系统进行闭环控制；

闭环控制分为两个控制分支，分别为电压控制环和热平衡控制环，电压控制环控制输出电压的恒定，热平衡控制环用来确定热平衡控制命令，根据时基交替模式和温度反馈模式两种工作模式对功率开关管进行温度控制，其中对移相后的PWM波形进行补偿，抵消转换瞬间的功率偏置；相比于通常使用的ESP控制策略下的电路设计，该方案下DSP控制器内部的ADC采集输出电压信号，与参考信号生成误差信号，紧接着控制器发出相对应控制信号作用于PWM控制器来调节输出参数；于此同时，控制器根据时基控制信号或者温度反馈信号发出控制命令0或1；控制命令为0时：S₁、S₂(Q₁、Q₂)作为超前桥臂，S₃、S₄(Q₃、Q₄)作为滞后桥臂；控制命令为1时：S₃、S₄(Q₃、Q₄)作为超前桥臂，S₁、S₂(Q₁、Q₂)作为滞后桥臂；

(1)模式1—时基交替控制模式：该模式下，通过配置TMS320f28069内的定时器，配置交替运行的时间周期，每当计数器达到每个时间周期的终点，控制命令由0转换为1或者由1转换为0，转换结束后计数器清零，进入新的时间周期计数，达到交替改变桥臂的超前、滞后关系，设定时间周期为5ms；

(2)模式2—温度反馈控制模式：该模式下，需要先分别对超前、滞后桥臂的功率Mosfet进行温度采样，随后根据采样结果进行处理后改变系统的控制命令；温度采样电路主要由两个含有相同热敏电阻网络的差分放大器组成，通过求得采样电压与基准电压的差值进行相应倍数的放大后得到DSP采样的电压值Tmp1和Tmp2，Tmp1和Tmp2分别用来反映桥臂S₁、S₂(Q₁、Q₂)和S₃、S₄(Q₃、Q₄)的热损耗情况；当Δt≥2℃时，控制命令由0转换为1或者由1转换为0，从而达到功率器件的热损耗平衡；

在通过控制命令调节一次侧两桥臂PWM超前、滞后关系的过程控制中，当控制命令由0变为1时，若不对瞬态的控制信号进行合理的控制直接改变移相关系，会使此刻一个T_s内超前桥臂的开通状态延长2D₁T_s，滞后桥臂的开通状态不变，导致变压器一次侧电压不平衡产生直流分量，功率传输突变，会进一步造成功率器件的工作应力和损耗；

对控制命令发出后PWM改变移相关系的瞬态过程控制进行优化，在控制命令由0变为1时，延长一个T_s内超前桥臂的开通状态D₁T_s，与此同时将滞后桥臂在此时T_s时间内的开通状态缩短D₁T_s，达到变压器一次侧电压状态不变，从而平滑地过度到第二种工作状态。