CN107294368A - 一种电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法，采用PWM加移相控制策略，通过控制变换器低压侧的各开关管占空比，调节低压侧缓冲电容上的电压与直流母线电压匹配，通过控制变换器高、低压侧驱动信号的移相角，实现对变换器功率流向的控制。本发明有效地解决了双向直流变换器启动瞬间的电流冲击问题，软化变换器的启动过程，进一步提高了变换器工作的稳定性和可靠性。

Description

一种电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及了一种电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法。
背景技术
与传统的单向直流变换器相比，双向直流变换器由于可以实现能量的双向流动，因此在需要储能的场合，如直流微网、电动汽车、不间断供电系统等领域等有着广泛的应用。
基于电流源半桥的双向直流变换器，具有高低压隔离、低压侧电流纹波小、可以实现不同功率流向的无缝切换以及全负载范围软开关等优点。与传统的双有源桥变换器相比，更加适用于采用电池作为主要储能装置的应用场合。但由于该变换器的工作原理所限，变换器启动前其缓冲电容电压与直流母线电压处于极度不匹配状态，且一般情况下，变换器作为储能接口使用时，直流母线和蓄电池侧均会有电压。如果不为变换器设计一套合理的启动控制策略，则在变换器启动瞬间，必然会产生很大的电流冲击，从而会影响到变换器乃至整个系统的正常运行，甚至恶劣情况下，还可能会导致变换器因电流应力过大而损坏。
现有文献对该电流源半桥双向直流变换器的研究，大多都是针对该变换器的控制策略，软开关条件，以及一些基于该变换器拓扑的优化、改动而展开的，而对于该变换器的启动控制策略则鲜有研究。而启动问题，是变换器在实际使用过程中必然会遇到的问题，如果没有一套合理的启动策略，使得变换器能够由停机状态缓慢启动至正常工作状态而不产生过大的电流或电压冲击，就无法保证该变换器在实际使用中的可靠性，而使得对该变换器的研究始终只能停留在实验室阶段。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法，软化变换器的启动过程，提高变换器工作的可靠性。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法，所述电流源板桥双向直流变换器包括低压侧缓冲电容、低压侧蓄电池、蓄电池侧解耦电容、第一低压侧滤波电感、第二低压侧滤波电感、低压侧等效漏感、第一低压侧上开关管、第一低压侧下开关管、第二低压侧上开关管、第二低压侧下开关管、功率变压器、高压侧上开关管、高压侧下开关管、第一高压侧半桥电容、第二高压侧半桥电容以及母线侧解耦电容，第一低压侧上开关管的发射极连接第一低压侧下开关管的集电极，第二低压侧上开关管的发射极连接第二低压侧下开关管的集电极，第一低压侧上开关管的集电极连接第二低压侧上开关管的集电极和低压侧缓冲电容的第一端，第一低压侧下开关管的发射极连接第二低压侧下开关管的发射极和低压侧缓冲电容的第二端，低压侧蓄电池的正极连接蓄电池侧解耦电容的第一端、第一低压侧滤波电感的第一端和第二低压侧滤波电感的第一端，低压侧蓄电池的负极连接蓄电池侧解耦电容的第二端和低压侧缓冲电容的第二端，第一低压侧滤波电感的第二端经低压侧等效漏感与功率变压器原边的同名端连接，第一低压侧滤波电感的第二端连接第一低压侧上开关管的发射极，第二低压侧滤波电感的第二端连接第二低压侧上开关管的发射极和功率变压器原边的异名端，高压侧上开关管的发射极连接高压侧下开关管的集电极和功率变压器副边的同名端，第一高压侧半桥电容的第一端连接高压侧上开关管的集电极和母线侧解耦电容的第一端，第一高压侧半桥电容的第二端连接功率变压器副边的异名端和第二高压侧半桥电容的第一端，第二高压侧半桥电容的第二端连接高压侧下开关管的发射极和母线侧解耦电容的第二端，母线侧解耦电容的两端接入直流母线；第一低压侧上开关管与第一低压侧下开关管互补导通，第二低压侧上开关管与第二低压侧下开关管互补导通，第一低压侧上开关管与第二低压侧上开关管的占空比相同且错相180°导通，第一低压侧下开关管与第二低压侧下开关管的占空比相同且错相180°导通，高压侧上开关管与高压侧下开关管的占空比均为0.5且错相180°导通。
基于上述技术方案的优选方案，所述启动控制方法包括三个阶段：
第一阶段为低压侧缓冲电容建压阶段，对低压侧缓冲电容进行预充电，实现低压侧缓冲电容两端电压与直流母线电压的匹配；在该阶段，高压侧上开关管和高压侧下开关管关断，第一低压侧上开关管和第二低压侧上开关管的占空比由1逐渐减小，低压侧下开关管与第二低压侧下开关管的占空比由0逐渐增大，低压侧缓冲电容电压Ucc缓慢抬升；
第二阶段为高压侧占空比展开阶段，高压侧上开关管和高压侧下开关管的占空比由0展开至0.5，同时，控制变换器高、低压侧驱动信号的移相角为0，则变换器的传递功率为0；
第三阶段为移相角展开阶段，控制变换器高、低压侧驱动信号的移相角由0逐渐展开，变换器的传递功率缓慢增加至额定状态，至此软启动结束。
基于上述技术方案的优选方案，在第一阶段中，低压侧缓冲电容两端电压与直流母线电压的匹配需满足：
上式中，Ucc为低压侧缓冲电容两端电压，UDC为直流母线电压，N为功率变压器的匝比。
基于上述技术方案的优选方案，在第一阶段中，控制低压侧缓冲电容电压Ucc略小于匹配值：
上式中，ε的值根据实际情况确定；
在第二阶段中，控制低压侧缓冲电容电压Ucc完全满足匹配值：
基于上述技术方案的优选方案，
ε的取值满足以下不等式组：
上式中，UBA表示低压侧蓄电池的电压。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明有效抑制了电流源半桥变换器启动瞬间的电流冲击，且实现简单，无需额外的启动电路。可在母线侧带电压的条件下直接启动，更符合实际应用中的情况。
附图说明
图1为电流源半桥双向直流变换器的拓扑图；
图2为变换器正常工作过程中变压器两端波形图；
图3为变换器软启动过程中不同阶段各开关管驱动以及变压器两端电压的波形图；
图4为较大时间尺度上变换器软启动过程中各关键点波形图；
图5为变换器软启动至低压侧电池10A放电的实验波形图；
图6为变换器软启动至低压侧电池10A充电的实验波形图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
电流源半桥变换器的拓扑如图1所示。其中UBA为低压侧蓄电池电压，UDC为高压侧母线电压。整个变换器由低压侧缓冲电容Cc，低压侧滤波电感L1、L2，低压侧开关管S1u、S1d、S2u、S2d，蓄电池侧解耦电容C1，电池UBA，功率变压器T，变压器低压侧等效漏感Lr，高压侧开关管S3u、S3d，高压侧半桥电容C2、C3，母线侧解耦电容C4构成。
变换器正常工作时，采用PWM加移相控制策略。低压侧同一桥臂上下两管(S1u和S1d、S2u和S2d)互补导通，不同桥臂间驱动信号错相180°且对应的上管/下管占空比相同。高压侧开关管S3u、S3d占空比固定为0.5，同样错相180°导通。上述表述均不考虑死区影响。变换器工作过程中，通过控制低压侧开关管的占空比，调节缓冲电容Cc上的电压Ucc，使其满足Ucc＝UDC/2N。同时，通过控制变换器高低压侧驱动信号的移相角φ，即可实现对变换器功率流向的控制。
图2为变换器正常工作工程中变压器两端波形。其中uab、ucd分别为图1中a、b和c、d两点间的波形，d1为低压侧上管占空比。通过对变换器高低压侧开关管驱动信号相位的控制，即可调节uab和ucd之间的相位差，当uab相位超前于ucd时，变换器能量从低压侧流向高压侧，反之能量从高压侧流向低压侧。
电流源半桥双向直流变换器在PWM加移相控制下的启动控制策略主要分为三个阶段，启动过程中各关键点的波形如图3所示，整个软启动过程如下：
阶段I，为缓冲电容建压阶段，该阶段主要用来在变换器完全启动前，对缓冲电容Cc进行预充电，以实现缓冲电容电压Ucc与母线电压UDC的匹配，即满足：
其中N为变压器的匝比。该阶段，变换器高压侧驱动封锁，开关管处于长关状态。低压侧上管(S1u、S2u)驱动由1逐渐减小，下管(S1d、S2d)驱动由0逐渐增加，缓冲电容电压缓慢抬升。另一方面，由于该阶段仅用来建立缓冲电容的电压，而并不希望变换器传递任何功率，故为了防止变换器高压侧开关管的体二极管作为整流管导通，实际中需控制缓冲电容电压Ucc略小于理论匹配值。即：
式中ε可根据实际情况而定，需满足不等式即可保证启动时变压器电感与开关管电流最大值不超过额定工作时可能达到的最大值而防止电路元件损坏，但是当ε较小时启动效率更高，因此在保证此启动阶段无功率传输的前提下尽量取小。
阶段II，为高压侧占空比展开阶段，该阶段使能变换器高压侧驱动，高压侧开关管S3u、S3d的占空比由0展开至0.5。同时，控制变换器高低压侧驱动信号的移相角始终为0，即变压器T两端电压波形的移相角始终为0。另一方面，该阶段不再控制缓冲电容电压略小于匹配值，即缓冲电容电压Ucc与母线电压UDC完全满足匹配关系。该阶段变换器高低压侧驱动信号的移相角始终为0，故变换器传递功率依旧为0。
阶段III，为移相角展开阶段，该阶段变换器高低压侧驱动信号的移相角开始逐渐展开，变换器传递功率缓慢增加至额定状态，至此软启动结束，变换器进入正常工作状态。
将该软启动过程画在一个较大时间尺度的坐标系上，如图4所示，则此时一个完整的软启动过程可描述如下：
启动前蓄电池会先通过低压侧上管的体二极管给缓冲电容Cc充电，若忽略体二极管压降，则缓冲电容电压Ucc即为低压侧蓄电池电压UBA。变换器启动后，进入阶段I，低压侧占空比展开，缓冲电容电压逐渐上升至稳定状态。到了阶段II，高压侧占空比开始展开，同时由于该阶段不再控制缓冲电容电压略小于理论匹配值，故缓冲电容电压Ucc在阶段II开始时有一个微小的突升，之后便保持稳定。进入阶段III后，移相角展开始展开，低压侧电池电流iBA逐渐上升(以软启动至电池放电为例)，由于此过程中，电池向直流源母线传递功率逐渐增加，母线电压也随之有略微的抬升，从而缓冲电容电压也随之有些许升高。阶段III之后，直流母线电压达到额定值，缓冲电容电压Ucc和电池电流iBA也达到稳定状态，至此软启动结束。
图5为变换器启动至低压侧电池10A放电的关键点波形图，其中ugs_S1u为低压侧开关管S1u驱动波形，ugs_S3u为高压侧开关管S3u驱动波形，Ucc为缓冲电容Cc两端电压波形，IBA为低压侧电池电流波形，且IBA为正时代表电池放电，为负时代表电池充电。从实验波形可以看出，变换器软启动过程的波形与图4所示的理论分析波形完全一致。变换器启动时，首先高压侧驱动ugs_S3u被封锁，低压侧驱动ugs_S1u逐渐展开，缓冲电容电压Ucc缓慢抬升。之后，高压侧驱动展开，缓冲电容电压Ucc出现一个微小的突升(需要注意的是，由于此阶段在实际中持续时间较短，而图5中实验波形的时基较大，故该阶段在实验波形中并不是很明显，但依旧可以清楚地观察到Ucc两端电压的突升)。最后，变换器高低压侧驱动信号的移相角逐渐展开，电压侧电池电流逐渐上升直至最后的稳定值，变换器软启动结束。观察整个启动过程中变换器低压侧电流IBA的波形，可以发现，在本发明提出的启动控制策略下，变换器启动瞬间的电流冲击得到了有效抑制。
图6为变换器启动至低压侧电池10A充电的关键点波形图，其中，ugs_S1u、ugs_S3u、Ucc、IBA代表的含义与图5相同。从实验波形可以看出，当变换器启动至低压侧电池充电时，启动瞬间同样不存在任何电流冲击。
从具体的实验结果可以看出，发明提出的一种电流源半桥双向直流变换器有效地解决了变换器启动瞬间变换器的电流冲击问题。且实现简单，无需额外的启动辅助电路。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法，所述电流源板桥双向直流变换器包括低压侧缓冲电容(Cc)、低压侧蓄电池、蓄电池侧解耦电容(C1)、第一低压侧滤波电感(L1)、第二低压侧滤波电感(L2)、低压侧等效漏感(Lr)、第一低压侧上开关管(S1u)、第一低压侧下开关管(S1d)、第二低压侧上开关管(S2u)、第二低压侧下开关管(S2d)、功率变压器(T)、高压侧上开关管(S3u)、高压侧下开关管(S3d)、第一高压侧半桥电容(C2)、第二高压侧半桥电容(C3)以及母线侧解耦电容(C4)，第一低压侧上开关管(S1u)的发射极连接第一低压侧下开关管(S1d)的集电极，第二低压侧上开关管(S2u)的发射极连接第二低压侧下开关管(S2d)的集电极，第一低压侧上开关管(S1u)的集电极连接第二低压侧上开关管(S2u)的集电极和低压侧缓冲电容(Cc)的第一端，第一低压侧下开关管(S1d)的发射极连接第二低压侧下开关管(S2d)的发射极和低压侧缓冲电容(Cc)的第二端，低压侧蓄电池的正极连接蓄电池侧解耦电容(C1)的第一端、第一低压侧滤波电感(L1)的第一端和第二低压侧滤波电感(L2)的第一端，低压侧蓄电池的负极连接蓄电池侧解耦电容(C1)的第二端和低压侧缓冲电容(Cc)的第二端，第一低压侧滤波电感(L1)的第二端经低压侧等效漏感(Lr)与功率变压器(T)原边的同名端连接，第一低压侧滤波电感(L1)的第二端连接第一低压侧上开关管(S1u)的发射极，第二低压侧滤波电感(L2)的第二端连接第二低压侧上开关管(S2u)的发射极和功率变压器(T)原边的异名端，高压侧上开关管(S3u)的发射极连接高压侧下开关管(S3d)的集电极和功率变压器(T)副边的同名端，第一高压侧半桥电容(C2)的第一端连接高压侧上开关管(S3u)的集电极和母线侧解耦电容(C4)的第一端，第一高压侧半桥电容(C2)的第二端连接功率变压器(T)副边的异名端和第二高压侧半桥电容(C3)的第一端，第二高压侧半桥电容(C3)的第二端连接高压侧下开关管(S3d)的发射极和母线侧解耦电容(C4)的第二端，母线侧解耦电容(C4)的两端接入直流母线，其特征在于：第一低压侧上开关管(S1u)与第一低压侧下开关管(S1d)互补导通，第二低压侧上开关管(S2u)与第二低压侧下开关管(S2d)互补导通，第一低压侧上开关管(S1u)与第二低压侧上开关管(S2u)的占空比相同且错相180°导通，第一低压侧下开关管(S1d)与第二低压侧下开关管(S2d)的占空比相同且错相180°导通，高压侧上开关管(S3u)与高压侧下开关管(S3d)的占空比均为0.5且错相180°导通，通过控制变换器低压侧的各开关管占空比，调节低压侧缓冲电容上的电压与直流母线电压匹配，通过控制变换器高、低压侧驱动信号的移相角，实现对变换器功率流向的控制。
2.根据权利要求1所述电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法，其特征在于，所述启动控制方法包括三个阶段：
第一阶段为低压侧缓冲电容建压阶段，对低压侧缓冲电容(Cc)进行预充电，实现低压侧缓冲电容(Cc)两端电压与直流母线电压的匹配；在该阶段，高压侧上开关管(S3u)和高压侧下开关管(S3d)关断，第一低压侧上开关管(S1u)和第二低压侧上开关管(S2u)的占空比由1逐渐减小，低压侧下开关管(S1d)与第二低压侧下开关管(S2d)的占空比由0逐渐增大，低压侧缓冲电容电压Ucc缓慢抬升；
第二阶段为高压侧占空比展开阶段，高压侧上开关管(S3u)和高压侧下开关管(S3d)的占空比由0展开至0.5，同时，控制变换器高、低压侧驱动信号的移相角为0，则变换器的传递功率为0；
第三阶段为移相角展开阶段，控制变换器高、低压侧驱动信号的移相角由0逐渐展开，变换器的传递功率缓慢增加至额定状态，至此软启动结束。
3.根据权利要求2所述电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法，其特征在于，在第一阶段中，低压侧缓冲电容(Cc)两端电压与直流母线电压的匹配需满足：
<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>N</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
上式中，Ucc为低压侧缓冲电容两端电压，UDC为直流母线电压，N为功率变压器的匝比。
4.根据权利要求3所述电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法，其特征在于，在第一阶段中，控制低压侧缓冲电容电压Ucc略小于匹配值：
<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>N</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mi>&amp;epsiv;</mi> </mrow>
上式中，ε为预设的正值；
在第二阶段中，控制低压侧缓冲电容电压Ucc完全满足匹配值：
<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>N</mi> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
5.根据权利要求4所述电流源半桥双向直流变换器的启动控制方法，其特征在于，ε的取值满足以下不等式组：
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上式中，UBA表示低压侧蓄电池的电压。
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