CN108039822A - 一种双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法，该双有源全桥直流变换器由中频或高频变压器，V1侧H桥电路及V2侧H桥电路组成，且双有源全桥直流变换器工作在单移相的调制策略下；双有源全桥直流变换器在单移相的调制策略下的控制变量为两个H桥中相应开关器件的驱动信号之间的移相比为Df；在双有源全桥直流变换器处于稳态的情况下，当V1侧和V2侧两个H桥式输出的相电压波形间的移相比Df改变时，通过调节过渡区间内V1侧和V2侧H桥开关管的驱动波形，使得变压器的电感电流仅经过半个开关周期的过渡区间就达到平衡，降低了电感电流的直流偏置的幅度，避免了变压器出现磁饱和问题，且算法可移植性较高，从而改善了变换器的动态特性。

Description

一种双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法
技术领域
本发明属于双有源全桥直流变换器技术领域，具体涉及一种双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法。
背景技术
双有源全桥直流变换器是由一个高频或中频变压器和两个H桥电路构成，其拓扑结构如图1所示。它是一种隔离型双向直流变换器，具有高功率密度、宽电压输入，较低的开关应力，易于实现软开关和控制简单等优点，适用于中、大功率场合，在混合动力汽车、电力电子变压器，轨道牵引以及智能电网能量存储系统等方面均有广泛的应用。
对于工作在单移相控制策略选的双有源全桥直流变换器，在稳态状态下，添加扰动或改变其控制变量，会造成变压器中电感电流出现直流偏置的现象，并以τ＝Ls/Rs为时间常数逐渐衰减(其中，Ls为变压器中等效电感值，Rs为变压器中等效电阻值)，严重的话，会导致变压器磁饱和。在实际的变换器设计过程中，为了实现两个直流侧较宽的电压变化范围，变压器中的等效电感值Ls需要被设计得较大，同时为了提高变换器效率，变压器中等效电阻值Rs则需要被设计得较小以减小线路损耗。因此，时间常数往往会变得比较大，进而使得变换器电感电流的暂态时间较长。
现有的改善上述现象的几种典型的优化控制方法如下，最优轨迹控制法，该方法需要电压传感器和高速电流传感器，通过检测上一个步长中输入输出电压的大小以及电感电流的大小和方向，决定下一个步长开关管的开关状态。该控制方法比较复杂。而且对于不同的双有源全桥直流变换器，该算法需要重新计算，可移植性较差；还有一种暂态电流控制方法，该方法通过在两个稳态之间添加一个过渡状态，通过对过渡状态内移相比大小进行调节，可以使电感电流在过渡区间迅速达到新的平衡，而且不需要高速电流传感器，节约硬件成本。但是仍然需要电压传感器检测输入输出电压，可移植性一般，对于不同的单相双有源直流变换器仍然需要再次计算，但是运算量较小；还有一种方法是通过优化控制设计，将负载电流的变换作为前馈引入控制环，该控制方法提升了建模的复杂度，对于不同的双有源全桥直流变换器需要重新建模，可移植性较差。综上可以看出现有的方法需要电压电流传感器等硬件，此外可移植性较差。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法，该控制方法能够使变压器电感电流在半个开关周期之内快速达到平衡，提高了变换器的动态响应，不需要电压电流传感器等硬件资源，大大降低了电感电流的直流偏置的幅度，避免了变压器出现磁饱和问题，且算法可移植性较高。
本发明采用以下技术方案来实现的：
一种双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法，该双有源全桥直流变换器由中频或高频变压器，V1侧H桥电路及V2侧H桥电路组成，且双有源全桥直流变换器工作在单移相的调制策略下；双有源全桥直流变换器在单移相的调制策略下的控制变量只有一个，即两个H桥中相应开关器件的驱动信号之间的移相比为Df，移相比即移相角与π的比值；通过改变Df的大小和正负从而改变双有源全桥直流变换器传输功率的大小和方向，在该控制策略下，V1侧和V2侧两个H桥输出相电压的占空比均被控制为50％的方波；该控制方法具体包括如下：
在双有源全桥直流变换器处于稳态时，当负载变化引起Df改变时，通过调节V1侧和V2侧H桥开关管的驱动波形，使得变压器的电感电流仅经过半个开关周期的过渡区间就达到平衡，完成双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制；其中，H桥电路的相电压函数为ux(t)，相电压函数的值为1代表该相输出正电平，其值为0代表该相输出0电平，值为-1代表该相输出负电平；x＝1或2，分别代表V1侧和V2侧H桥式电路。
本发明进一步的改进在于，当改变后的V1侧与V2侧H桥之间的移相比指令Df2大于改变前的V1侧与V2侧H桥之间的移相比指令Df1时，则有：
对于V1侧H桥电路，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V1侧H桥的相电压函数u1(t)在检测到扰动时刻所处电平两侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ1Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ1Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中Ts为开关周期，DfΔ1为V1侧H桥在过渡区间的移相比；
对于V2侧H桥电路加瞬时电流控制算法时，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V2侧H桥的相电压函数u2(t)在检测到扰动时刻所处电平两侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ2Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ2Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中DfΔ2为V2侧H桥在过渡区间的移相比。
本发明进一步的改进在于，V1侧和V2侧H桥在过渡区间的暂态移相比分别为(DfΔ 1Ts)/2和(DfΔ2Ts)/2，其中DfΔ1和DfΔ2满足以下关系：
DfΔ1+DfΔ2＝Df2-Df1 (1)
DfΔ2＝dDfΔ1 (2)
其中d>0。
本发明进一步的改进在于，当改变后的V1侧与V2侧H桥之间的移相比指令Df2小于改变前的V1侧与V2侧H桥之间的移相比指令Df1时，则有：
对于V1侧H桥电路，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V1侧H桥的相电压函数u1(t)在检测到扰动时刻所处电平两侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ1Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ1Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中Ts为开关周期，DfΔ1为V1侧H桥在过渡区间的移相比；
对于V2侧H桥电路加瞬时电流控制算法时，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V2侧H桥的相电压函数u2(t)在检测到扰动时刻所处电平两侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ2Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ2Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中DfΔ2为V2侧H桥在过渡区间的移相比。
本发明进一步的改进在于，V1侧和V2侧H桥在过渡区间的暂态移相比分别为(DfΔ 1Ts)/2和(DfΔ2Ts)/2，其中DfΔ1和DfΔ2满足以下关系：
DfΔ1+DfΔ2＝Df1-Df2 (3)
DfΔ2＝dDfΔ1 (2)
其中d>0。
本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供瞬时电流控制方法，在于调节V1侧和V2侧H桥开关管在暂态期间的驱动波形，通过调节驱动波形的大小，能够有效解决变压器电感电流的偏置问题，避免变压器出现磁饱和现象，从而改善了变换器在暂态过程中特性。使得变压器的电感电流仅经过半个开关周期的过渡区间就达到平衡，提高了变换器的动态性能。
进一步，本发明提出的瞬时电流控制方法不依赖输入或输出电压以及变压器电感电流，因此不需要电压或电流传感器，节约了硬件成本。
进一步，本发明提出的瞬时电流控制方法对双有源全桥直流变换器的无源参数没有要求，因此算法可移植性较高，对于不同功率等级，不同电压等级的拓扑都可以直接使用。
附图说明
图1为双有源全桥直流变换器的拓扑结构；
图2为双有源全桥直流变换器稳态时相电压及电感电流波形；
图3为Df减小时，瞬时电流控制方法中V1侧和V2侧H桥相电压波形的示意图；
图4为Df增大时，瞬时电流控制方法中V1侧和V2侧H桥相电压波形的示意图；
图5为发生功率阶跃后，传统控制方法的电感电流波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
双有源全桥直流变换器的拓扑结构如图1所示。其中，假设功率是从V1侧流向V2侧，则V1是输入侧直流电压，V2是输出侧直流电压。Ls是变压器的漏感或附加电感；Rs是线路电阻，iL是变压器的电感电流，变压器的变比为n:1。稳态时，基于单移相双有源直流变换器相电压及电感电流波形如图2所示。
设定双有源全桥直流变换器的一组基本参数如表1所示。
表1
参数 数值 参数 数值
V1侧电压稳态值V1 80V 开关频率fs 20kHz
V2侧电压稳态值V2 30V 额定传输功率Po 100W
变压器变比n 1 电阻 0.2Ω
V2侧输出电容Co 500μF 电感 35μH
在单相双有源桥式直流变换器的稳态运行时，采用单移相调制策略。这种调制策略下仅有一个控制变量：V1侧和V2侧两个H桥式电路相应开关管驱动脉冲间的移相比Df。
根据本发明描述，需要做两个实验比较，第一个实验在暂态中Df增大，对于表1中的基本参数，可以得到在这种调制策略下，实验一的变换器处于稳态1时的控制变量为：移相比Df1为0.2。假设此时由于传输功率或其它控制需求的变化，控制变量Df需要发生变化，分别从稳态情况下的Df1＝0.2改变至Df2＝0.7643；第二个实验在暂态中Df减小，实验二的变换器处于稳态1时的控制变量为：移相比Df1为0.7643。假设此时由于传输功率或其它控制需求的变化，控制变量Df需要发生变化，分别从稳态情况下的Df1＝0.7643改变至Df2＝0.2。在传统控制方式下，当系统检测到负载变化后，Df指令会立刻完成改变，而这种方法将会导致电感电流偏置且经过很长的暂态才能稳定，如图5所示。
当使用本发明中具有半个开关周期的过渡区间的瞬时电流控制方法时，对于实验一来说，
对于V1侧H桥电路，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V1侧H桥的相电压函数u1(t)在检测到扰动时刻所处的高电平或低电平左侧或右侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ1Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ1Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中Ts为开关周期，DfΔ1为V1侧H桥在过渡区间的移相比。
对于V2侧H桥电路加瞬时电流控制算法时，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V2侧H桥的相电压函数u2(t)在检测到扰动时刻所处的高电平或低电平左侧或右侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ2Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ2Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中Ts为开关周期，DfΔ2为V2侧H桥在过渡区间的移相比。
在实验中使DfΔ1与DfΔ2相同，即满足：
实验中两个H桥的相电压和电感电流波形如图4所示。
当使用本发明中具有半个开关周期的过渡区间的瞬时电流控制方法时，对于实验二来说，
对于V1侧H桥电路，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V1侧H桥的相电压函数u1(t)在检测到扰动时刻所处的高电平或低电平左侧或右侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ1Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ1Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中Ts为开关周期，DfΔ1为V1侧H桥在过渡区间的移相比。
对于V2侧H桥电路加瞬时电流控制算法时，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V2侧H桥的相电压函数u2(t)在检测到扰动时刻所处的高电平或低电平左侧或右侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ2Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ2Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中Ts为开关周期，DfΔ2为V2侧H桥在过渡区间的移相比。
在实验中使DfΔ1与DfΔ2相同，即满足：
实验中两个H桥的相电压和电感电流波形如图3所示。

Claims (5)

1.一种双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在于，该双有源全桥直流变换器由中频或高频变压器，V1侧H桥电路及V2侧H桥电路组成，且双有源全桥直流变换器工作在单移相的调制策略下；双有源全桥直流变换器在单移相的调制策略下的控制变量只有一个，即两个H桥中相应开关器件的驱动信号之间的移相比为Df，移相比即移相角与π的比值；通过改变Df的大小和正负从而改变双有源全桥直流变换器传输功率的大小和方向，在该控制策略下，V1侧和V2侧两个H桥输出相电压的占空比均被控制为50％的方波；该控制方法具体包括如下：
在双有源全桥直流变换器处于稳态时，当负载变化引起Df改变时，通过调节V1侧和V2侧H桥开关管的驱动波形，使得变压器的电感电流仅经过半个开关周期的过渡区间就达到平衡，完成双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制；其中，H桥电路的相电压函数为ux(t)，相电压函数的值为1代表该相输出正电平，其值为0代表该相输出0电平，值为-1代表该相输出负电平；x＝1或2，分别代表V1侧和V2侧H桥式电路。
2.根据权利要求1所述的双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在于，当改变后的V1侧与V2侧H桥之间的移相比指令Df2大于改变前的V1侧与V2侧H桥之间的移相比指令Df1时，则有：
对于V1侧H桥电路，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V1侧H桥的相电压函数u1(t)在检测到扰动时刻所处电平两侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ1Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ1Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中Ts为开关周期，DfΔ1为V1侧H桥在过渡区间的移相比；
对于V2侧H桥电路加瞬时电流控制算法时，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V2侧H桥的相电压函数u2(t)在检测到扰动时刻所处电平两侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ2Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ2Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中DfΔ2为V2侧H桥在过渡区间的移相比。
3.根据权利要求2所述的双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在于，V1侧和V2侧H桥在过渡区间的暂态移相比分别为(DfΔ1Ts)/2和(DfΔ2Ts)/2，其中DfΔ1和DfΔ2满足以下关系：
DfΔ1+DfΔ2＝Df2-Df1 (1)
DfΔ2＝dDfΔ1 (2)
其中d>0。
4.根据权利要求1所述的双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在于，当改变后的V1侧与V2侧H桥之间的移相比指令Df2小于改变前的V1侧与V2侧H桥之间的移相比指令Df1时，则有：
对于V1侧H桥电路，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V1侧H桥的相电压函数u1(t)在检测到扰动时刻所处电平两侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ1Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ1Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中Ts为开关周期，DfΔ1为V1侧H桥在过渡区间的移相比；
对于V2侧H桥电路加瞬时电流控制算法时，双有源全桥直流变换器在稳态运行时移相比为Df1，引入扰动后，定义V2侧H桥的相电压函数u2(t)在检测到扰动时刻所处电平两侧的上升沿或下降沿时刻为0时刻，先经过(Ts-DfΔ2Ts)/2进入过渡区间；进入过渡区间立刻输出零电平，并持续(DfΔ2Ts)/2后结束过渡区间，进入移相比为Df2的下一个稳态，其中DfΔ2为V2侧H桥在过渡区间的移相比。
5.根据权利要求4所述的双有源全桥直流变换器的瞬时电流控制方法，其特征在于，V1侧和V2侧H桥在过渡区间的暂态移相比分别为(DfΔ1Ts)/2和(DfΔ2Ts)/2，其中DfΔ1和DfΔ2满足以下关系：
DfΔ1+DfΔ2＝Df1-Df2 (3)
DfΔ2＝dDfΔ1 (2)
其中d>0。
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