CN107294389A - 一种可自由换向双向dc/dc变换器及其控制方法 - Google Patents

一种可自由换向双向dc/dc变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可自由换向双向DC/DC变换器及其控制方法，变换器包括高压滤波单元、全桥推挽高频隔离变换单元、滤波储能单元、低压滤波单元和数字控制系统；高压滤波单元稳定高压直流电压；全桥推挽高频隔离变换单元实现变换器的高频隔离双向功率传输；滤波储能单元变换器正向降压工作时减小低压输出电流纹波、变换器反向升压工作时充当升压电感储能工作；低压滤波单元滤除高频纹波电流以减小低压侧电压纹波；数字控制系统实现变换器双向功率传输及自由换向运行的功能；控制方法包括采样、调理滤波、模/数转换、数字滤波、更新电压控制信号、更新电流控制信号、数字PWM调制、功率放大PWM信号；本发明的变换器可双向自由换向；方法控制简单可靠。

Description

一种可自由换向双向DC/DC变换器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子应用技术领域，特别是一种可自由换向双向DC/DC变换器及其控制方法。
背景技术
双向DC/DC变换技术是指应用功率半导体器件，在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要实现调节能量双向传输的直流到直流变换的技术。其广泛地应用于航空航天、电动汽车能源系统，直流微电网系统等新能源技术领域中。双向DC/DC变换器具有实现同步整流的硬件条件，还具有体积小、效率高、总器件数目少等优点。基于全桥推挽结构的一种全桥推挽双向DC/DC变换器，高压侧采用电压型全桥结构，低压侧采用电流型推挽结构，拓扑结构简单、控制简单可靠，特别适用于高压-低压大电流变换的应用场合，在电池化成、直流微电网等新能源技术领域都有广泛应用。随着新能源技术的发展与应用，全桥推挽双向DC/DC变换技术在新能源中的应用也越来越多。
全桥推挽双向DC/DC变换器虽然特别适用于高压-低压大电流的应用场合，但变换器在反向升压工作模式中，若由于保护电路触发而关闭功率开关管，则升压储能电感中的能量将释放在功率开关上，缩短功率开关的寿命，严重时将彻底损坏功率开关管。
全桥推挽双向DC//DC变换器的传统的控制方法由于变换器正反向工作时，功率开关管的开关控制方法不同，所以需要根据电路正反向工作状态选择正向或是反向的开关控制方法，相应的，也需要更改正向或反向的环路控制，在进行双向切换控制运行时，也需要根据电路工作点判断电路运行方向选择正向或反向运行的控制电路，在正向控制电路与反向控制电路往复切换，这增加了控制电路设计及切换运行的复杂性，另外，在两个方向运行、轻载情况下，特别是电路在切换点工作时，电路会出现正反向运行往复来回切换，引起系统运行振荡，带来不安全因素，同时系统运行效率降低。
全桥推挽双向DC/DC变换器传统的双向控制技术主要采用模拟控制技术。模拟控制技术即采用一些逻辑元件完成正反向运行状态的逻辑判断，在通过模拟控制电路完成正、反向运行的双向切换控制。模拟控制技术虽能实现全桥推挽双向DC/DC变换器的双向切换控制，但逻辑电路的硬件搭建是比较复杂的，可靠性较低，另外，硬件电路搭建的模拟控制电路是固定的，控制器设计单一，难以设计先进的控制器，也难以实现特定功能的控制方案。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种可自由换向双向DC/DC变换器，以解决传统全桥推挽双向DC/DC变换器正向、反向工作往复切换，切换电路、控制电路较复杂、可靠性不高的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种可自由换向双向DC/DC变换器，包括高压滤波单元、全桥推挽高频隔离变换单元、滤波储能单元、低压滤波单元和数字控制系统；
所述高压滤波单元用以稳定高压直流电压，当变换器正向运行时减小从外部直流高压母线源注入的高压电压的纹波，反向运行时减小从全桥推挽高频隔离变换单元注入的高压电压的纹波；
所述全桥推挽高频隔离变换单元用以通过功率开关管和高频隔离式变压器实现变换器的高频隔离双向功率传输，变换器正向工作时将高压侧能量传输至低压侧，反向工作时将低压侧能量传输至高压侧；
所述滤波储能单元用以变换器正向降压工作时减小低压输出电流纹波、变换器反向升压工作时充当升压电感储能工作，特别的，当电路反向运行发生保护时，滤波储能单元等价于一个反激结构的电路，用于保护全桥推挽高频隔离变换单元中的元件；
所述低压滤波单元用以配合滤波储能单元工作，滤除高频纹波电流以减小低压侧电压纹波；
所述数字控制系统用以实时检测、处理低压侧端口的电压、电流信息，根据电压、电流信息处理更新控制信号的数据，得到新的控制全桥推挽高频隔离变换单元的控制信号，实现变换器双向功率传输及自由换向运行的功能。
一种双向功率流自由换向的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、采样：检测模块采样到低压侧端口电压、电流，并缩小合适的倍数得到电压量vo、电流量io，并将电压量vo、电流量io输送给调理模块；
步骤2、调理滤波：调理模块对电压量vo、电流量io进行运算处理，缩小或放大合适的倍数，经过滤波处理，得到新的电压vo*、电流io*并输送到DSP控制模块；
步骤3、模/数转换：DSP控制模块的模/数转换单元对模拟量的电压vo*、电流io*进行模数转换，转换为数字量电压vd、电流id；
步骤4、数字滤波：DSP控制模块的数字滤波单元通过在双向DC/DC变换器的一个开关周期内读取5次模数转换的数字量电压vd、电流id，分别对数字量电压vd、电流id去除最大值与最小值，再对剩余3个数求平均得到电压平均值vdx、电流平均值idx，并根据以上结果及EMA平均算法再次计算EMA电压平均值与EMA电流平均值，即得到数字滤波单元运算处理后的电压vd*、电流id*；
步骤5、更新电压控制信号：DSP控制模块的第一数字控制器单元更新电压控制信号，根据低压侧端口需要控制的电压及检测单元、调理单元缩小或放大电压量的倍数设定基准电压Vref，用给定电压Vref减去数字滤波单元处理后的电压vd*得到电压误差信号ve，结合上一个开关周期的电压误差信号ve_pre，应用数字PID控制算法运算得到电压控制信号vc，并对电压控制信号vc限幅；
步骤6、更新电流控制信号：DSP控制模块的第二数字控制器单元更新电流控制信号，用电压控制信号vc作为第二数字控制器单元的基准电流值，用电压控制信号vc减去数字滤波单元处理后的电流id*得到电流误差信号ie，结合上一个开关周期的电流误差信号ie_pre，应用数字PID控制算法运算得到电流控制信号ic，并对电流控制信号ic限幅；
步骤7、数字PWM调制：PWM调制单元将电流控制信号ic与PWM基准值比较，当电流控制信号ic大于PWM基准值时PWM调制单元输出置1，当电流控制信号ic大于PWM基准值时PWM调制单元输出置0，由此得到第一功率开关管S1和第四功率开关管S4控制用PWM信号Dgs(1，4)，将PWM信号Dgs(1，4)在同一个开关周期内0、1翻转，得到第五功率开关管S5控制用PWM信号Dgs5，将PWM信号Dgs(1，4)在同一个开关周期内平移相位180°，得到第二功率开关管S2和第三功率开关管S3控制用PWM信号Dgs(2,3)，将PWM信号Dgs(2,3)在同一个开关周期内0、1翻转，得到第六功率开关管S6控制用PWM信号Dgs6；
步骤8、功率放大PWM信号：驱动模块将PWM调制单元产生的PWM信号Dgs(1,4)、Dgs(2,3)、Dgs5、Dgs6功率放大得到可供功率开关管直接使用的驱动PWM信号，Vgs(1,4)、Vgs(2,3)、Vgs5、Vgs6，即得到开关管控制方式的驱动PWM信号；
此后数字控制系统将重新进入第一步进行循环工作。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明的滤波储能单元，满足变换器正常的正反向运行，另外，在反向运行发生保护时，为储能电感提供释能通道，保护推挽侧功率开关管；
(2)变换器正、反向工作时，采用同一种控制方法，简化了控制方法设计与实施，双向运行不需判断功率方向，根据低压负载情况自主判断运行方向，实现双向DC/DC变换器的自由换向，双方向功率流的平滑、无缝切换；
(3)采用全数字控制，变换器双向运行、自由换向的控制方法更容易实现，双向切换运行更加稳定、可靠；
(4)变换器双方向运行的控制方法基于同步整流技术，任意一方向传递功率时，高频隔离式变压器两侧的功率开关管中总有一侧的功率开关管用作高频开关，另一侧的功率开关管用作同步整流管，功率开关管的导通损耗小，特别适用于高压小电流-低压大电流变换的应用场合。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明一种可自由换向双向DC/DC变换器及其控制电路的结构框图。
图2为本发明一种可自由换向双向DC/DC变换器的电路拓扑示意图及其控制电路示意图。
图3为本发明一种可自由换向双向DC/DC变换器数字控制系统控制原理示意图。
图4为本发明一种可自由换向双向DC/DC变换器的开关管控制方式的驱动PWM信号示意图。
图5为本发明一种可自由换向双向DC/DC变换器数字控制系统控制原理控制流程图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1、图2，本发明的一种可自由换向双向DC/DC变换器，包括高压滤波单元1、全桥推挽高频隔离变换单元2、滤波储能单元3、低压滤波单元4和数字控制系统5；其中，高压滤波单元1、全桥推挽高频隔离变换单元2、滤波储能单元3、低压滤波单元4共同构成了变换器的功率电路部分；
所述高压滤波单元1用以稳定高压直流电压，当变换器正向运行时减小从外部直流高压母线源注入的高压电压的纹波，反向运行时减小从全桥推挽高频隔离变换单元2注入的高压电压的纹波；
所述全桥推挽高频隔离变换单元2用以通过功率开关管和高频隔离式变压器实现变换器的高频隔离双向功率传输，变换器正向工作时将高压侧能量传输至低压侧，反向工作时将低压侧能量传输至高压侧；
所述滤波储能单元3用以变换器正向降压工作时减小低压输出电流纹波、变换器反向升压工作时充当升压电感储能工作，特别的，当电路反向运行发生保护时，滤波储能单元3等价于一个反激结构的电路，用于保护全桥推挽高频隔离变换单元2中的元件；
所述低压滤波单元4用以配合滤波储能单元3工作，滤除高频纹波电流以减小低压侧电压纹波；
所述数字控制系统5用以实时检测、处理低压侧端口的电压、电流信息，根据电压、电流信息处理更新控制信号的数据，得到新的控制全桥推挽高频隔离变换单元3的控制信号，实现变换器双向功率传输及自由换向运行的功能。
进一步的，所述高压滤波单元1包括第一电解电容Ci，第一电解电容Ci的正极连接全桥推挽高频隔离变换单元2中第一功率开关管S1的漏极，第一电解电容Ci的负极连接全桥推挽高频隔离变换单元2中第三功率开关管S3的源极。
在一些实施方式中，所述高压滤波单元1也可采用滤波器实现，滤波器的正极连接全桥推挽高频隔离变换单元2中第一功率开关管S1的漏极，滤波器的负极连接全桥推挽高频隔离变换单元2中第三功率开关管S3的源极。
进一步的，所述全桥推挽高频隔离变换单元2包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、高频隔离式变压器T；所述高频隔离式变压器T包括第一原边绕组N1，第一副边绕组N2、第二副边绕组N3；
所述第一功率开关管S1的漏极与高压滤波单元1的正极相连接，第一功率开关管S1的源极与第三功率开关管S3的漏极相连接，第三功率开关管S3的源极与第一电解电容Ci的负极相连接，第二功率开关管S2的漏极与第一功率开关管S1的漏极相连接，第二功率开关管S2的源极与第四功率开关管S4的漏极相连接，第四功率开关管S4的源极与第三功率开关管S3的源极相连接；所述第一原边绕组N1的同名端(*端)与第一功率开关管S1的源极相连接，第一原边绕组N1的非同名端(非*端)与第二功率开关管S2的源极相连接，第一副边绕组N2的同名端(*端)与第五功率开关管S5的漏极相连接，第一副边绕组N2的非同名端(非*端)与第二副边绕组N3的同名端(*端)相连接并连接到滤波储能单元3，第二副边绕组N3的非同名端(非*端)与第六功率开关管S6的漏极相连接；第五功率开关管S5的源极与第六功率开关管S6的源极相连接并连接到低压滤波单元4的负极。
所述滤波储能单元3包括第二原边绕组N4(即电感L)、第三副边绕组N5、功率二极管Df；
所述第二原边绕组N4的同名端(*端)与全桥推挽高频隔离变换单元2中的第一副边绕组N2的非同名端(非*端)连接，第二原边绕组N4的非同名端(非*端)与低压滤波器4的正极连接，第三副边绕组N5的同名端(*端)与功率二极管Df的阳极连接，第三副边绕组N5的非同名端(非*端)与高压滤波单元1的负极连接，功率二极管Df的阴极与高压滤波单元1的正极连接。
正常工作状态，只有第二原边绕组N4(即电感L)工作，滤波储能单元3等价为一个电感，而当电路发生保护时，第二原边绕组N4(即电感L)、第三副边绕组N5、功率二极管Df均工作，滤波储能单元3等价为一个反激结构的电路。
进一步的，所述低压滤波单元4包括第二电解电容Co，所述第二电解电容Co的正极连接到第二原边绕组N4的非同名端(非*端)并连接到低压负载外2一端，第二电解电容Co负极连接到第六功率开关管S6的源极并连接到低压负载外2另一端。
在一些实施方式中，所述低压滤波单元4也可采用滤波器实现，滤波器的正极连接到第二原边绕组N4的非同名端(非*端)并连接到低压负载外2一端，滤波器的负极连接到第六功率开关管S6的源极并连接到低压负载外2另一端。
所述数字控制系统5包括检测模块、调理模块、DSP控制模块、驱动模块；
所述检测模块用以实时采样低压侧端口的电压、电流量；
所述调理模块用以处理检测电路测量的电压、电流量，滤除高频杂波，减少干扰；
所述DSP控制模块用以对调理模块处理后的电压、电流量进行数字滤波、运算处理，处理控制信号的数据，得到PWM控制信号；
所述驱动模块用以对PWM控制信号进行功率放大，增强PWM控制信号驱动功率开关管的能力；
所述DSP控制模块包括模/数转换单元、数字滤波单元、数字控制器单元、PWM调制单元；所述数字控制器单元包括第一数字控制器单元51、第二数字控制器单元52；
所述模/数转换单元用以将调理模块处理后的模拟电压、电流量转换为数字电压、电流量；
所述数字滤波单元用以对模/数转换单元得到的数字电压、电流量滤波处理，滤除干扰数据；
所述数字控制器单元用以根据数字滤波单元处理后的数字电压电流量运算处理控制信号的数据，更新控制信号。
所述PWM调制单元用以将数字控制器运算更新的控制信号转换为驱动功率开关管的PWM波。
双向DC/DC变换器双方向工作时，均采用一套的数字控制系统，采用外环电压控制、电流内环平均电流控制的双环控制方式；所述第一数字控制器单元51采用外环电压控制方式对低压侧的端口电压进行控制，第二数字控制器单元52采用电流内环平均电流控制方式对低压侧的端口电流进行控制；
结合图3、图4，所述数字控制系统5的工作过程为：
检测模块采样低压侧端口得到电压量vo、电流量io，调理模块对电压量vo、电流量io进行运算滤波处理，滤除高频杂波后将电压vo*、电流io*数据输送到DSP控制模块；所述DSP控制模块的模/数转换单元对电压vo*、电流io*完成模/数转换后得到数字量电压vd、电流id，数字滤波单元对电压vd、电流id运算处理，滤除干扰数据得到电压vd*、电流id*；首先第一数字控制器单元51工作，给定设定电压Vref减去数字滤波单元处理后的电压vd*，得到电压误差信号ve作为第一数字控制器单元51的输入；第一数字控制器单元51控制运算得到电压控制信号vc，所述第一数字控制器51输出的电压控制信号vc作为第二数字控制器单元52的基准值，电压控制信号vc减去数字滤波单元处理后的电流id*，得到电流误差信号ie作为第二数字控制器单元52的输入；第二数字控制器单元52控制运算得到电流控制信号ic，PWM调制单元将电流控制信号ic调制得到控制用PWM信号，最后驱动模块将PWM调制单元产生的PWM信号功率放大得到可供功率开关管直接使用的驱动PWM信号，Vgs(1,4)、Vgs(2,3)、Vgs5、Vgs6。
其中，Vgs(1,4)为第一功率开关管S1和第四功率开关管S4的驱动PWM信号，表示在一个开关周期Ts内，从T1至Ts/2时刻将会发出导通第一功率开关管S1和第四功率开关管S4的驱动PWM信号；Vgs(2,3)为第二功率开关管S2和第三功率开关管S3的驱动PWM信号，表示在一个开关周期Ts内，从Ton(Ton＝T1+Ts/2)至Ts时刻将会发出导通第二功率开关管S2和第三功率开关管S3的驱动PWM信号；Vgs5为第五功率开关管S5的驱动PWM信号，表示在一个开关周期Ts内，从0至Ton时刻将会发出导通第五功率开关管S5的驱动PWM信号；Vgs6为第六功率开关管S6的驱动PWM信号，表示在一个开关周期Ts内，从0至T1和Ts/2至Ts时刻将会发出导通第六功率开关管S6的驱动PWM信号。
结合图5，基于上述控制系统实现双向功率流自由换向的控制方法为：
步骤1、采样：检测模块采样到低压侧端口电压、电流，并缩小合适的倍数得到电压量vo、电流量io，并将电压量vo、电流量io输送给调理模块；
其中缩小倍数应满足采样到的电压量vo、电流量io约为DSP控制模块单元的模/数转换单元端口限制的最大电压的一半；
步骤2、调理滤波：调理模块对电压量vo、电流量io进行运算处理，缩小或放大合适的倍数，经过滤波处理，得到新的电压vo*、电流io*并输送到DSP控制模块；
其中缩小或放大合适的倍数应满足新的电压vo*、电流io*约为DSP控制模块单元的模/数转换单元端口限制的最大电压的一半；
步骤3、模/数转换：DSP控制模块的模/数转换单元对模拟量的电压vo*、电流io*进行模数转换，转换为数字量电压vd、电流id；
步骤4、数字滤波：DSP控制模块的数字滤波单元通过在双向DC/DC变换器的一个开关周期内读取5次模数转换的数字量电压vd、电流id，分别对数字量电压vd、电流id去除最大值与最小值，再对剩余3个数求平均得到电压平均值vdx、电流平均值idx，并根据以上结果及EMA平均算法再次计算EMA电压平均值与EMA电流平均值，即得到数字滤波单元运算处理后的电压vd*、电流id*；
其中所用EMA平均算法的表达式为：本次EMA电压平均值＝前一次EMA电压平均值+(本次电压平均值vdx-前一次EMA电压平均值)/2，本次EMA电流平均值＝前一次EMA电流平均值+(本次电流平均值idx-前一次EMA电流平均值)/2；
步骤5、更新电压控制信号：DSP控制模块的第一数字控制器单元51更新电压控制信号，根据低压侧端口需要控制的电压及检测单元、调理单元缩小或放大电压量的倍数设定基准电压Vref，用给定电压Vref减去数字滤波单元处理后的电压vd*得到电压误差信号ve，结合上一个开关周期的电压误差信号ve_pre，应用数字PID控制算法运算得到电压控制信号vc，并对电压控制信号vc限幅，限幅范围由双向运行时低压侧端口最大电流量及检测单元、调理单元缩小或放大电流量的倍数决定；
步骤6、更新电流控制信号：DSP控制模块的第二数字控制器单元52更新电流控制信号，用电压控制信号vc作为第二数字控制器单元52的基准电流值，用电压控制信号vc减去数字滤波单元处理后的电流id*得到电流误差信号ie，结合上一个开关周期的电流误差信号ie_pre，应用数字PID控制算法运算得到电流控制信号ic，并对电流控制信号ic限幅，限幅范围为零到一半大小的PWM调制单元中PWM基准值；
步骤7、数字PWM调制：PWM调制单元将电流控制信号ic与PWM基准值比较，当电流控制信号ic大于PWM基准值时PWM调制单元输出置1，当电流控制信号ic大于PWM基准值时PWM调制单元输出置0，由此得到第一功率开关管S1和第四功率开关管S4控制用PWM信号Dgs(1,4)，将PWM信号Dgs(1,4)在同一个开关周期内0、1翻转，得到第五功率开关管S5控制用PWM信号Dgs5，将PWM信号Dgs(1,4)在同一个开关周期内平移相位180°，得到第二功率开关管S2和第三功率开关管S3控制用PWM信号Dgs(2,3)，将PWM信号Dgs(2,3)在同一个开关周期内0、1翻转，得到第六功率开关管S6控制用PWM信号Dgs6；
步骤8、功率放大PWM信号：驱动模块将PWM调制单元产生的PWM信号Dgs(1,4)、Dgs(2,3)、Dgs5、Dgs6功率放大得到可供功率开关管直接使用的驱动PWM信号，Vgs(1,4)、Vgs(2,3)、Vgs5、Vgs6，即得到图4示出的一种可自由换向双向DC/DC变换器的开关管控制方式的驱动PWM信号；
第8步之后，一个控制周期已经结束，功率电路根据驱动PWM信号工作，此后数字控制系统将重新进入第一步进行循环工作。
本发明的可自由换向双向DC/DC变换器的过程为：
工作时，高压侧外部连接直流高压母线源，低压侧外部连接低压负载。
直流高压母线源正极与高压滤波单元1正极连接，直流高压母线源负极与高压滤波单元1负极连接；直流高压母线源在变换器正向运行时提供高压侧持续稳定的直流高压电，提供正向运行时变换的电能，在变换器反向运行时吸收变换器反向变换传输的电能并维持高压侧电压稳定；低压负载的正极与低压滤波单元4的正极连接，低压负载的负极与低压滤波单元4的负极连接，其中，低压负载等价于电阻负载与电流源并联连接；低压负载在变换器正向运行时吸收变换器变换传输的电能，在变换器反向运行时提供反向运行时变换的电能。
(1)双向DC/DC变换器工作于正向工作模式：当恒流源电流Is比较小不足以提供负载Ro的平均电流时，变换器工作于正向工作模式，此时直流高压母线源输出电流与电压方向同向，直流高压母线源输出正功率，数字控制系统实时检测低压端口电压、电流量，并处理电压、电流量，经控制系统运算得到如图4中所示的全桥推挽高频隔离变换单元2的开关管控制方式的驱动PWM信号，驱动功率开关管。正向工作模式下，具体工作过程描述为：当第一功率开关管S1、第四功率开关管S4导通时，第六功率开关管S6也同时导通，第一功率开关管S1、第四功率开关管S4导通用作高频开关，第六功率开关管S6用作同步整流管；当第二功率开关管S2、第三功率开关管S3导通时，第五功率开关管S5也同时导通，第二功率开关管S2、第三功率开关管S3用作高频开关，第五功率开关管S5用作同步整流管；当第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4关断后，第五功率开关管S5、第六功率开关管S6均导通，全桥推挽高频隔离单元2不传递功率，第五功率开关管S5、第六功率开关管S6为变换器低压侧电流续流提供通道，电感L及低压滤波单元4提供低压负载能量。整个正向模式下，第一功率开关管S1、第四功率开关管S4、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3用作高频开关管，全桥推挽高频隔离单元2将高压母线源上的直流电逆变成方波交流电经高频隔离式变压器T传递到低压侧，第五功率开关管S5、第六功率开关管S6将交流电整流为低压直流电，电感L与低压滤波单元4用于滤除开关纹波，得到稳定低压直流电，低压负载用电。
(2)双向DC/DC变换器工作于反向工作模式：当恒流源电流Is足够大足以提供负载Ro的平均电流时，变换器工作于反向工作模式，此时直流高压母线源输出电流与电压方向反向，直流高压母线源输出负功率，数字控制系统实时检测低压端口电压、电流量，并处理电压、电流量，经控制系统运算得到如图4中所示的全桥推挽高频隔离变换单元2的开关管控制方式的驱动PWM信号，驱动功率开关管。反向工作模式下，具体工作过程描述为：当第五功率开关管S5、第六功率开关管S6同时导通时，第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4关断，电感L中储能增加，全桥推挽高频隔离单元2不传递功率，高压滤波单元1向直流高压母线源传递能量；当第五功率开关管S5、第六功率开关管S6中只有一个导通时，对应全桥变换单元中第一功率开关管S1、第四功率开关管S4同时导通或第二功率开关管S2、第三功率开关管S3同时导通用作同步整流管，电感L中储能减少，低压侧经全桥推挽高频隔离变换单元传递功率到高压侧。整个反向模式下，第五功率开关管S5、第六功率开关管S6用作高频开关，将低压端口上的低压直流电变换为高频方波交流电经高频隔离式变压器T传递到高压侧，第一功率开关管S1、第四功率开关管S4、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3用作同步整流管，将高频方波交流电整流会高压直流电，高压滤波单元对高压直流电滤波后，能量提供给高压母线源。
(3)双向DC/DC变换器工作于正反向自由换向工作模式：当恒流源电流Is较大但不足以提供负载Ro的平均电流并且电感L电流平均值的绝对值小于电感L电流的平均值时，电感L电流出现正反向的交替，变换器工作于正反向自由换向工作模式。数字控制系统实时检测低压端口电压、电流量，并处理电压、电流量，经控制系统运算得到如图4中所示的全桥推挽高频隔离变换单元2的开关管控制方式的驱动PWM信号，驱动功率开关管。正反向自由换向工作模式具体描述为：功率开关管开通与关断的时序与(1)(2)中相同，正向与反向工作模式同时存在，正向与反向工作状态自由切换，当电感L(第二原边绕组N4)电流从同名端(*端)流向非同名端(非*端)，高压侧高压直流电经全桥推挽高频隔离变换单元2传递至低压侧，变换器正向传递功率；当电感L(第二原边绕组N4)电流从非同名端(非*端)流向同名端(*端)，低压侧直流电经全桥推挽高频隔离变换单元2传递至高压侧，变换器反向传递功率。
所述的滤波储能单元3在变换器发生保护后保护变换器中功率开关管的原理描述如下：当全桥推挽双向DC/DC变换器工作于反向工作状态时，数字控制系统5中DSP控制器监测电路各点如高压端口电压、电流信息，低压端口电压、电流信息，当发生异常时将关闭所有功率开关管的驱动信号，第二原边绕组N4(即电感L)中较大电流突变到0，第二原边绕组N4(即电感L)的同名端(*端)激起很大电压，第三副边绕组N5的同名端(*端)感应出很大电压，功率二极管Df此时导通，释放第二原边绕组N4(即电感L)中的能量到高压滤波单元1中。

Claims (10)

1.一种可自由换向双向DC/DC变换器，其特征在于，包括高压滤波单元(1)、全桥推挽高频隔离变换单元(2)、滤波储能单元(3)、低压滤波单元(4)和数字控制系统(5)；
所述高压滤波单元(1)用以稳定高压直流电压，当变换器正向运行时减小从外部直流高压母线源注入的高压电压的纹波，反向运行时减小从全桥推挽高频隔离变换单元(2)注入的高压电压的纹波；
所述全桥推挽高频隔离变换单元(2)用以通过功率开关管和高频隔离式变压器实现变换器的高频隔离双向功率传输，变换器正向工作时将高压侧能量传输至低压侧，反向工作时将低压侧能量传输至高压侧；
所述滤波储能单元(3)用以变换器正向降压工作时减小低压输出电流纹波、变换器反向升压工作时充当升压电感储能工作，特别的，当电路反向运行发生保护时，滤波储能单元(3)等价于一个反激结构的电路，用于保护全桥推挽高频隔离变换单元(2)中的元件；
所述低压滤波单元(4)用以配合滤波储能单元(3)工作，滤除高频纹波电流以减小低压侧电压纹波；
所述数字控制系统(5)用以实时检测、处理低压侧端口的电压、电流信息，根据电压、电流信息处理更新控制信号的数据，得到新的控制全桥推挽高频隔离变换单元(3)的控制信号，实现变换器双向功率传输及自由换向运行的功能。
2.如权利要求1所述的一种可自由换向双向DC/DC变换器，其特征在于，所述高压滤波单元(1)包括第一电解电容Ci或滤波器，第一电解电容Ci或滤波器的正极连接全桥推挽高频隔离变换单元(2)中第一功率开关管S1的漏极，第一电解电容Ci或滤波器的负极连接全桥推挽高频隔离变换单元(2)中第三功率开关管S3的源极。
3.如权利要求1所述的一种可自由换向双向DC/DC变换器，其特征在于，所述全桥推挽高频隔离变换单元(2)包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、高频隔离式变压器T；所述高频隔离式变压器T包括第一原边绕组N1，第一副边绕组N2、第二副边绕组N3；
所述第一功率开关管S1的漏极与高压滤波单元(1)的正极相连接，第一功率开关管S1的源极与第三功率开关管S3的漏极相连接，第三功率开关管S3的源极与第一电解电容Ci的负极相连接，第二功率开关管S2的漏极与第一功率开关管S1的漏极相连接，第二功率开关管S2的源极与第四功率开关管S4的漏极相连接，第四功率开关管S4的源极与第三功率开关管S3的源极相连接；所述第一原边绕组N1的同名端(*端)与第一功率开关管S1的源极相连接，第一原边绕组N1的非同名端(非*端)与第二功率开关管S2的源极相连接，第一副边绕组N2的同名端(*端)与第五功率开关管S5的漏极相连接，第一副边绕组N2的非同名端(非*端)与第二副边绕组N3的同名端(*端)相连接并连接到滤波储能单元(3)，第二副边绕组N3的非同名端(非*端)与第六功率开关管S6的漏极相连接；第五功率开关管S5的源极与第六功率开关管S6的源极相连接并连接到低压滤波单元(4)的负极。
4.如权利要求1所述的一种可自由换向双向DC/DC变换器，其特征在于，所述滤波储能单元(3)包括第二原边绕组N4(即电感L)、第三副边绕组N5、功率二极管Df；
所述第二原边绕组N4的同名端(*端)与全桥推挽高频隔离变换单元(2)中的第一副边绕组N2的非同名端(非*端)连接，第二原边绕组N4的非同名端(非*端)与低压滤波器(4)的正极连接，第三副边绕组N5的同名端(*端)与功率二极管Df的阳极连接，第三副边绕组N5的非同名端(非*端)与高压滤波单元(1)的负极连接，功率二极管Df的阴极与高压滤波单元(1)的正极连接。
5.如权利要求1所述的一种可自由换向双向DC/DC变换器，其特征在于，所述低压滤波单元(4)包括第二电解电容Co或滤波器；第二电解电容Co或滤波器的正极连接到第二原边绕组N4的非同名端(非*端)并连接到低压负载(2)一端，第二电解电容Co或滤波器的负极连接到第六功率开关管S6的源极并连接到低压负载外(2)另一端。
6.如权利要求1所述的一种可自由换向双向DC/DC变换器，其特征在于，所述数字控制系统(5)包括检测模块、调理模块、DSP控制模块、驱动模块；
所述检测模块用以实时采样低压侧端口的电压、电流量；
所述调理模块用以处理检测电路测量的电压、电流量，滤除高频杂波，减少干扰；
所述DSP控制模块用以对调理模块处理后的电压、电流量进行数字滤波、运算处理，处理控制信号的数据，得到PWM控制信号；
所述驱动模块用以对PWM控制信号进行功率放大，增强PWM控制信号驱动功率开关管的能力。
7.如权利要求6所述的一种可自由换向双向DC/DC变换器，其特征在于，所述DSP控制模块包括模/数转换单元、数字滤波单元、数字控制器单元、PWM调制单元；所述数字控制器单元包括第一数字控制器单元(5)1、第二数字控制器单元(5)2；
所述模/数转换单元用以将调理模块处理后的模拟电压、电流量转换为数字电压、电流量；
所述数字滤波单元用以对模/数转换单元得到的数字电压、电流量滤波处理，滤除干扰数据；
所述数字控制器单元用以根据数字滤波单元处理后的数字电压电流量运算处理控制信号的数据，更新控制信号；
所述PWM调制单元用以将数字控制器运算更新的控制信号转换为驱动功率开关管的PWM波。
8.如权利要求7所述的一种可自由换向双向DC/DC变换器，其特征在于，所述第一数字控制器单元(51)采用外环电压控制方式对低压侧的端口电压进行控制，第二数字控制器单元(52)采用电流内环平均电流控制方式对低压侧的端口电流进行控制。
9.如权利要求7所述的一种可自由换向双向DC/DC变换器，其特征在于，所述数字控制系统(5)的工作过程为：
检测模块采样低压侧端口得到电压量vo、电流量io，调理模块对电压量vo、电流量io进行运算滤波处理，滤除高频杂波后将电压vo*、电流io*数据输送到DSP控制模块；所述DSP控制模块的模/数转换单元对电压vo*、电流io*完成模/数转换后得到数字量电压vd、电流id，数字滤波单元对电压vd、电流id运算处理，滤除干扰数据得到电压vd*、电流id*；首先第一数字控制器单元(51)工作，给定设定电压Vref减去数字滤波单元处理后的电压vd*，得到电压误差信号ve作为第一数字控制器单元(51)的输入；第一数字控制器单元(51)控制运算得到电压控制信号vc，所述第一数字控制器(51)输出的电压控制信号vc作为第二数字控制器单元(52)的基准值，电压控制信号vc减去数字滤波单元处理后的电流id*，得到电流误差信号ie作为第二数字控制器单元(52)的输入；第二数字控制器单元(52)控制运算得到电流控制信号ic，PWM调制单元将电流控制信号ic调制得到控制用PWM信号，最后驱动模块将PWM调制单元产生的PWM信号功率放大得到可供功率开关管直接使用的驱动PWM信号。
10.一种双向功率流自由换向的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采样：检测模块采样到低压侧端口电压、电流，并缩小合适的倍数得到电压量vo、电流量io，并将电压量vo、电流量io输送给调理模块；
步骤2、调理滤波：调理模块对电压量vo、电流量io进行运算处理，缩小或放大合适的倍数，经过滤波处理，得到新的电压vo*、电流io*并输送到DSP控制模块；
步骤3、模/数转换：DSP控制模块的模/数转换单元对模拟量的电压vo*、电流io*进行模数转换，转换为数字量电压vd、电流id；
步骤4、数字滤波：DSP控制模块的数字滤波单元通过在双向DC/DC变换器的一个开关周期内读取5次模数转换的数字量电压vd、电流id，分别对数字量电压vd、电流id去除最大值与最小值，再对剩余3个数求平均得到电压平均值vdx、电流平均值idx，并根据以上结果及EMA平均算法再次计算EMA电压平均值与EMA电流平均值，即得到数字滤波单元运算处理后的电压vd*、电流id*；
步骤5、更新电压控制信号：DSP控制模块的第一数字控制器单元(51)更新电压控制信号，根据低压侧端口需要控制的电压及检测单元、调理单元缩小或放大电压量的倍数设定基准电压Vref，用给定电压Vref减去数字滤波单元处理后的电压vd*得到电压误差信号ve，结合上一个开关周期的电压误差信号ve_pre，应用数字PID控制算法运算得到电压控制信号vc，并对电压控制信号vc限幅；
步骤6、更新电流控制信号：DSP控制模块的第二数字控制器单元(52)更新电流控制信号，用电压控制信号vc作为第二数字控制器单元(52)的基准电流值，用电压控制信号vc减去数字滤波单元处理后的电流id*得到电流误差信号ie，结合上一个开关周期的电流误差信号ie_pre，应用数字PID控制算法运算得到电流控制信号ic，并对电流控制信号ic限幅；
步骤7、数字PWM调制：PWM调制单元将电流控制信号ic与PWM基准值比较，当电流控制信号ic大于PWM基准值时PWM调制单元输出置1，当电流控制信号ic大于PWM基准值时PWM调制单元输出置0，由此得到第一功率开关管S1和第四功率开关管S4控制用PWM信号Dgs(1,4)，将PWM信号Dgs(1,4)在同一个开关周期内0、1翻转，得到第五功率开关管S5控制用PWM信号Dgs5，将PWM信号Dgs(1,4)在同一个开关周期内平移相位180°，得到第二功率开关管S2和第三功率开关管S3控制用PWM信号Dgs(2,3)，将PWM信号Dgs(2,3)在同一个开关周期内0、1翻转，得到第六功率开关管S6控制用PWM信号Dgs6；
步骤8、功率放大PWM信号：驱动模块将PWM调制单元产生的PWM信号Dgs(1,4)、Dgs(2,3)、Dgs5、Dgs6功率放大得到可供功率开关管直接使用的驱动PWM信号，Vgs(1,4)、Vgs(2,3)、Vgs5、Vgs6，即得到开关管控制方式的驱动PWM信号；
此后数字控制系统将重新进入第一步进行循环工作。
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