CN109067176B - 一种dc/dc变换器最大电感电流均流控制方法 - Google Patents

一种dc/dc变换器最大电感电流均流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法。将各模块电压控制器输出的电感电流指令信号通过控制板上的数字模拟转换器DAC和最大值仲裁电路送到模拟均流母线上，从而在均流母线上获得各模块电感电流指令的最大值imax。进而各模块再采样均流母线上的imax信号，对该采样信号进行处理后作为本模块电感电流内环的电感电流指令信号。相对于一般的采用输出电流构成均流控制环利用均流控制器输出调节电压参考值来实现模块间输出电流均衡的方法，本发明简化控制系统设计，并显著提高均流控制的动态性能，保证均流的动态控制性能，提高了各模块在动态过程中输出电流的均衡性。

Description

一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法。
背景技术
电源系统是电力电子系统的心脏，稳定可靠的电源供电系统，是保证电力电子系统安全、可靠运行的关键，一旦电源系统故障引起对电力电子设备的供电中断，电力电子设备就无法运行，就会造成电路中断、通电力电子系统瘫痪，从而造成极大的经济和社会效益损失。因此，电力电子电源系统占据十分重要的位置。
由于在电力电子电源/变换器系统领域，通常通过采用多模块并联的方式提高电源系统的容量，并提高系统的可靠性。在要求快速响应的电源系统中，如X光机电源，焊接电源或者脉冲功率电源系统中，需要均流控制系统具有较高的动态性能，一般的利用均流控制器输出信号修正电压参考值的方法难以保证动态均流的性能，并且各模块在动态过程中的输出电流可能出现严重的不均衡。
目前所采用的大部分电源系统中，由于整流模块容量有限，在实际应用中常采用多模块并联运行的方式对通信电源系统进行扩流，以扩展整个系统的输出电流和输出功率。其输出能量是单模块输出的数倍，提高了电源的功率等级。但是，由于各个模块参数的分散性，其输出电压、输出电流和输出功率不可能完全一致，从而导致有些模块负载过重，损耗发热严重，而有些模块却处于轻载或空载状态，这样对电源健康不利，还会降低模块寿命，无法保证电源系统的稳定性。
查阅资料，如申请号为CN201210487349.3的专利，一种整流模块软件均流控制方法，总结目前常规的均流技术主要存在以下缺陷：
a.硬件均流控制的方法，成本较高、可靠性不稳定，容易因为单点故障造成整个系统均流失败，甚至造成系统输出中断，均流效果受电子元器件影响较大；
b.一般的软件均流控制方法，不能根据输出反馈的电流和电压实时调整调节步长的大小，若调节步长偏小则均流速度缓慢，若调节步长偏大则会引起大的均流波动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法，以保证均流的动态控制性能、提高各模块在动态过程中输出电流的均衡性。
本发明实施例提供一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法，包括：
步骤一：根据性能指标要求，通过利用各DC/DC双管Buck-Boost变换器模块占空比到电感电流的传递函数，设计得到内环电流控制器Gc；
步骤二：根据性能指标要求，通过利用各DC/DC双管Buck-Boost变换器模块电感电流到输出电压的传递函数，设计得到外环电压控制器Gv；
步骤三：将双管Buck-Boost变换器的电路参数输入到外环电压控制器Gv，通过运行外环电压控制器Gv，运算得到输出信号iLrj；
步骤四：通过将步骤三所述的输出信号iLrj经过控制板上的数字模拟转换器DAC和电流最大值仲裁电路送到模拟均流母线上，得到均流母线上电感电流的最大值均流信号iLmax；
步骤五：通过各DC/DC变换器模块采样步骤四所述的均流母线上电感电流的最大值均流信号iLmax，记第j个模块对iLmax的采样值为iLmaxj；
步骤六：根据抑制尖峰电磁干扰脉冲对均流母线模拟信号采样值影响的前提，对步骤五所述的采样值iLmaxj采用基于最小二乘预测算法的野点剔除算法，得到处理后的iLmax0j；
步骤七：假设期望输出电压值为voref，通过测量得到实际输出电压为vof，在vof-voref<Δv条件下，将步骤六所述的iLmax0j信号记为iLmaxrj，并将iLmaxrj作为本模块电感电流内环的电感电流指令信号；否则，将电压调节器输出值iLrj记为iLmaxrj，并将iLmaxrj作为第j个模块电感电流内环的电感电流指令信号；
步骤八：通过将imaxrj与iLrj作比较，若imaxrj-iLrj的偏差大于预先设定值偏差值ΔILmax，即满足iLmaxj-iLrj>ΔILmax时，则在第j个模块的控制程序中以iLmaxrj替代数字电压控制器的第k-1次迭代值；否则，不做处理直接转至步骤九；
步骤九：通过运行电流内环控制器，得到占空比调制信号，将所述占空比调制信号与载波信号做比较，得到用于开关管驱动的脉冲信号；
步骤十：通过判断控制性能指标是否满足性能指标要求，决定是否返回步骤一进行重新设计和处理；
所述步骤一至步骤十，其流程对双管Buck-Boost变换器1的处理与对双管Buck-Boost变换器2的处理完全一样。
所述步骤一以及步骤二，包括：
根据性能指标要求，通过利用各DC/DC双管Buck-Boost变换器模块占空比到电感电流的传递函数，设计得到内环电流控制器Gc；根据性能指标要求，通过利用各DC/DC双管Buck-Boost变换器模块电感电流到输出电压的传递函数，设计得到外环电压控制器Gv；
其中，所述DC/DC双管Buck-Boost变换器采用输出电压和电感电流构成的双闭环控制结构；
所述步骤三，包括：
将双管Buck-Boost变换器的电路参数输入到外环电压控制器Gv，通过运行外环电压控制器Gv，运算得到输出信号iLrj；
其中，所述双管Buck-Boost变换器采用输入端和输出端并联模式；
其中，所述双管Buck-Boost变换器的电路参数分别为：CS1和CS2测量得到的两个双管Buck-Boost变换器的电感电流iL1和iL2以及VS1和VS2测量得到的两个双管Buck-Boost变换器的输出电压vo1和vo2；
所述步骤七，包括：
假设期望输出电压值为voref，通过测量得到实际输出电压为vof，在vof-voref<Δv条件下，将步骤六所述的iLmax0j信号记为iLmaxrj，并将iLmaxrj作为本模块电感电流内环的电感电流指令信号；否则，将电压调节器输出值iLrj记为iLmaxrj，并将iLmaxrj作为第j个模块电感电流内环的电感电流指令信号；
其中，所述Δv>0，并且Δv为允许的稳态电压偏差值，如Δv＝1％Vn，Vn为额定输出电压值；
所述步骤八，包括：
通过将imaxrj与iLrj作比较，若imaxrj-iLrj的偏差大于预先设定值偏差值ΔILmax，即满足iLmaxj-iLrj>ΔILmax时，则在第j个模块的控制程序中以iLmaxrj替代数字电压控制器的第k-1次迭代值；否则，不做处理直接转至步骤九；
其中，所述预先设定值偏差值ΔILmax为根据实际情况设置的电流偏差值/允许的均流偏差值，如ΔILmax＝5％ILn，ILn为对应额定负载条件下的电感电流值；
所述步骤九，包括：
通过运行电流内环控制器，得到占空比调制信号，将所述占空比调制信号与载波信号做比较，得到用于开关管驱动的脉冲信号；
其中，所述运行电流内环控制器的具体方法为：将iLmaxr1与iLr1的偏差送入内环电流控制器Gc运算得到输出调制信号ucj。ucj经幅值为Vm的载波调制后，所获得的脉冲信号占空比为dj的，通过双管Buck-Boost变换器电路拓扑结构中占空比dj到电感电流iLj的传递函数Gidj实现对其电感电流iLj的控制；继而根据存在于电感电流iLj与输出电压voj之间的传递函数关系Gvij达到对输出电压voj的控制；
本发明的有益效果在于：
1.在多模块DC/DC变换器并联系统中，将单个模块的电感电流内环闭环控制与模块间的电感电流均衡控制完全融合，省去设计额外/专用的均流控制环路，可以简化控制系统设计，并显著提高均流控制的动态性能；
2.为了保证在主模块突然退出的状态下，不至于在短时间范围内出现输出电压显著跌落的情况，本发明在实施电流均衡控制的过程中通过在单个模块的控制软件中按照一定的规则，利用采样到的经处理后的均流母线上的最大电感电流指令信号，对电压控制器的输出变量值进行合理替换，将替换后的值作为数字电压控制器的(k-1)次迭代值；
3.为了提高并联系统输出电压控制在恶劣电磁环境下的抗扰性能和可靠性，一方面引入基于最小二乘预测的野点剔除算法去除可能的均流母线采样信号尖峰干扰。另一方面，防止由于均流信号被严重干扰而导致的输出电压失控。
附图说明
图1为一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法的流程图；
图2为本发明用于示例的两个双管Buck-Boost变换器并联示意图；
图3为本发明最大电感电流均流控制的方法的控制结构示意图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明做进一步描述：
图1为一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法的流程图；
图2为本发明用于示例的两个双管Buck-Boost变换器并联示意图；
图3为本发明最大电感电流均流控制的方法的控制结构示意图。
本发明的技术方案是这样实现的：
图2中，两个双管Buck-Boost变换器采用输入端和输出端并联模式。双管Buck-Boost变换器本身为成熟电路结构，在此不再赘述。图中CS1和CS2分别用于测量两个双管Buck-Boost变换器的电感电流iL1和iL2。VS1和VS2分别用于测量两个双管Buck-Boost变换器的输出电压vo1和vo2。
图3(a)中，连个模块具有相同的电压参考值voref，以双管Buck-Boost变换器1为例进行说明。其输出电压为vo1，将voref与vo1的偏差送入电压控制器Gv运算得到输出信号iLr1(相应的，通过双管Buck-Boost变换器2的电压控制器得到iLr2)，双管Buck-Boost变换器1和2将各自的iLr1和iLr2对应的数字量经DAC和最大值仲裁电路后送至模拟均流母线，从而在均流母线上获得最大值信号iLmax。对iLmax进行采样，将采样得到信号送入野点剔除模块F11，经处理后输出iLmax01，再将iLmax01送入F12模块，若此时vof-voref<Δv(Δv>0，可设置Δv为允许的稳态电压偏差值(例如Δv＝1％Vn，Vn为额定输出电压值)则使用iLmax01作为双管Buck-Boost变换器1内环电感电流指令信号，将该iLmax01信号记为iLmaxr1，即iLmax01＝iLmaxr1。否则将电压调节器输出值iLr1作为双管Buck-Boost变换器1内环电感电流指令信号，即iLmaxr1＝iLr1。对双管Buck-Boost变换器2的处理与双管Buck-Boost变换器1完全一样，不再赘述。
如图3(b)和(c)所示，M1和M2分别表示两个双管Buck-Boost变换器的电流内环控制结构。仍以双管Buck-Boost变换器1为例进行说明，对应于图3(b)所示的情况：将iLmaxr1与iLr1的偏差送入电压控制器Gc运算得到输出调制信号uc1(相应的，通过双管Buck-Boost变换器2的电流控制器得到调制信号uc2)。uc1经幅值为Vm的载波调制后，所获得的脉冲信号占空比为d1的，通过Buck-Boost变换器1电路拓扑结构中占空比d1到电感电流iL1的传递函数(Gid1)可实现对其电感电流iL1的控制。继而根据存在于电感电流iL1与输出电压vo1之间的传递函数关系(Gvi1)达到对输出电压vo1的控制。如图3(c)所示，双管Buck-Boost变换器2电流内环控制结构与处理方式与双管Buck-Boost变换器1完全一样，不再赘述。
对专利所述一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制的方法的设计和执行流程说明如下。
(1)根据性能指标要求，利用各DC/DC变换器模块占空比到电感电流的传递函数设计电感电流控制器Gc；
(2)根据性能指标要求，利用DC/DC变换器电感电流到输出电压的传递函数设计输出电压控制器Gv；
(3)运行电压外环控制器，将各模块电压控制器Gv的输出信号iLrj通过控制板上的DAC和电流最大值仲裁电路送到模拟均流母线上，从而在均流母线上形成电感电流最大值均流信号iLmax；
(4)各DC/DC变换器模块采样均流母线上的iLmax信号，记第j个模块对iLmax的采样值为iLmaxj。
(5)为了抑制尖峰电磁干扰脉冲对均流母线模拟信号采样值的负面影响，对采样得到的iLmaxj施加野点剔除算法，将经处理后的iLmaxj记为iLmax0j。
(6)假设期望输出电压值为voref，测量到的实际输出电压为vof，在vof-voref<Δv条件下使用iLmax0j作为电流指令信号(Δv>0，可设置Δv为允许的稳态电压偏差值(例如Δv＝1％Vn，Vn为额定输出电压值)，将该iLmax0j信号记为iLmaxrj，并将iLmaxrj作为本模块电感电流内环的电感电流指令信号。否则将电压调节器输出值iLrj(iLrj作为第j个模块的电感电流指令信号。
(7)将imaxrj与iLrj作比较，若imaxrj-iLrj的偏差大于预先设定值偏差值ΔILmax，则以iLmaxrj替代数字电压控制器的第(k-1)次迭代值。
(8)运行电流内环控制器，产生占空比调制信号，将该信号与载波信号做比较即产生用于开关管驱动的脉冲信号。
(9)判断控制性能是否满足要求，否则返回到(1)-(8)的相应的步骤进行设计和处理。
一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制的方法，其特征是：
(1)单个DC/DC双管Buck-Boost变换器模块采用输出电压和电感电流构成的双闭环控制结构。将各模块电压控制器输出的信号(电感电流指令信号)通过控制板上的DAC(数字模拟转换器)和最大值仲裁电路送到模拟均流母线上，从而在均流母线上获得各模块电感电流指令的最大值iLmax。进而各模块再采样均流母线上的iLmax信号，记第j个模块对iLmax的采样值为iLmaxj。
(2)为了改善实际应用中瞬时脉冲干扰信号对均流信号的采样准确性的影响，在各模块中对采样得到的均流信号iLmaxj引入基于最小二乘预测算法的野点剔除算法，提升采样的精度和可靠信。将经野点剔除算法处理后的iLmaxj信号记为iLmax0j。
(3)为了提高并联系统输出电压控制在恶劣电磁环境下的抗扰性能和可靠性，防止由于均流信号被严重干扰而导致的输出电压失控。假设期望输出电压值为voref，测量到的实际输出电压为vof，在vof-voref<Δv条件下使用iLmax0j作为电流指令信号(Δv>0，可设置Δv为允许的稳态电压偏差值(例如Δv＝1％Vn，Vn为额定输出电压值)，记为iLmaxrj，并将iLmaxrj作为本模块电感电流内环的电感电流指令信号。否则将电压调节器输出值iLrj(iLrj作为第j个模块的电感电流指令信号，即第j个模块电压控制器的输出)作为本次电感电流的参考值。
(4)在实施电流均衡控制的过程中，由于输出电流最大的模块自动上升为主模块，其它模块的电感电流跟踪柱模块的电感电流。此时，稳定整个并联系统输出电压的功能全部由主模块的电压控制环路来承担。因此，除主模块外，可能其它模块电压控制器的输出均处于输出负饱和状态。为了保证在主模块突然退出的状态下，不至于在短时间范围内出现输出电压显著跌落的情况，本专利在实施电流均衡控制的过程中，当满足iLmaxj-iLrj>ΔILmax时(iLrj为第j个模块的电感电流指令信号，即第j个模块电压控制器的输出)，在第j个模块的控制程序中，以iLmaxj替代数字电压控制器的(k-1)次迭代值。ΔILmax为根据实际情况设置的电流偏差值(可以设置ΔILmax数值为允许的均流偏差，例如设置ΔILmax＝5％ILn，ILn为对应额定负载条件下的电感电流值)。

Claims (6)

1.一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法，其特征在于，包括：
步骤一：根据性能指标要求，通过利用各DC/DC双管Buck-Boost变换器模块占空比到电感电流的传递函数，设计得到内环电流控制器Gc；
步骤二：根据性能指标要求，通过利用各DC/DC双管Buck-Boost变换器模块电感电流到输出电压的传递函数，设计得到外环电压控制器Gv；
步骤三：将DC/DC双管Buck-Boost变换器模块的电路参数输入到外环电压控制器Gv，通过运行外环电压控制器Gv，运算得到输出信号iLrj；
步骤四：通过将步骤三所述的输出信号iLrj经过控制板上的数字模拟转换器DAC和电流最大值仲裁电路送到模拟均流母线上，得到均流母线上电感电流的最大值均流信号iLmax；
步骤五：通过各DC/DC双管Buck-Boost变换器模块采样步骤四所述的均流母线上电感电流的最大值均流信号iLmax，记第j个模块对iLmax的采样值为iLmaxj；
步骤六：根据抑制尖峰电磁干扰脉冲对均流母线模拟信号采样值影响的前提，对步骤五所述的采样值iLmaxj采用基于最小二乘预测算法的野点剔除算法，得到处理后的iLmax0j；
步骤七：设期望输出电压值为voref，通过测量得到实际输出电压为vof，在vof-voref<Δv条件下，将步骤六所述的iLmax0j信号记为iLmaxrj，并将iLmaxrj作为本模块电感电流内环的电感电流指令信号；否则，将电压控制器输出值iLrj记为iLmaxrj，并将iLmaxrj作为第j个模块电感电流内环的电感电流指令信号；
步骤八：通过将imaxrj与iLrj作比较，若imaxrj-iLrj的偏差大于预先设定值偏差值ΔILmax，即满足iLmaxj-iLrj>ΔILmax时，则在第j个模块的控制程序中以iLmaxrj替代数字电压控制器的第k-1次迭代值；否则，不做处理直接转至步骤九；
步骤九：通过运行电流内环控制器，得到占空比调制信号，将所述占空比调制信号与载波信号做比较，得到用于开关管驱动的脉冲信号；
步骤十：通过判断控制性能指标是否满足性能指标要求，决定是否返回步骤一进行重新设计和处理。
2.根据权利要求1所述的一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法，其特征在于：所述步骤一以及步骤二，包括：
根据性能指标要求，通过利用各DC/DC双管Buck-Boost变换器模块占空比到电感电流的传递函数，设计得到内环电流控制器Gc；根据性能指标要求，通过利用各DC/DC双管Buck-Boost变换器模块电感电流到输出电压的传递函数，设计得到外环电压控制器Gv；
其中，所述DC/DC双管Buck-Boost变换器采用输出电压和电感电流构成的双闭环控制结构。
3.根据权利要求1所述的一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法，其特征在于：所述步骤三，包括：
将双管Buck-Boost变换器的电路参数输入到外环电压控制器Gv，通过运行外环电压控制器Gv，运算得到输出信号iLrj；
其中，所述双管Buck-Boost变换器采用输入端和输出端并联模式；
其中，所述双管Buck-Boost变换器的电路参数分别为：测量得到的两个双管Buck-Boost变换器的电感电流iL1和iL2以及测量得到的两个双管Buck-Boost变换器的输出电压vo1和vo2。
4.根据权利要求1所述的一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法，其特征在于：所述步骤七，包括：
设期望输出电压值为voref，通过测量得到实际输出电压为vof，在vof-voref<Δv条件下，将步骤六所述的iLmax0j信号记为iLmaxrj，并将iLmaxrj作为本模块电感电流内环的电感电流指令信号；否则，将电压控制器输出值iLrj记为iLmaxrj，并将iLmaxrj作为第j个模块电感电流内环的电感电流指令信号；
其中，所述Δv>0，并且Δv为允许的稳态电压偏差值。
5.根据权利要求1所述的一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法，其特征在于：所述步骤八，包括：
通过将imaxrj与iLrj作比较，若imaxrj-iLrj的偏差大于预先设定值偏差值ΔILmax，即满足iLmaxj-iLrj>ΔILmax时，则在第j个模块的控制程序中以iLmaxrj替代数字电压控制器的第k-1次迭代值；否则，不做处理直接转至步骤九；
其中，所述预先设定值偏差值ΔILmax为根据实际情况设置的电流偏差值。
6.根据权利要求1所述的一种DC/DC变换器最大电感电流均流控制方法，其特征在于：所述步骤九，包括：
通过运行电流内环控制器，得到占空比调制信号，将所述占空比调制信号与载波信号做比较，得到用于开关管驱动的脉冲信号；
其中，所述运行电流内环控制器的具体方法为：将iLmaxr1与iLr1的偏差送入内环电流控制器Gc运算得到输出调制信号ucj，ucj经幅值为Vm的载波调制后，所获得的脉冲信号占空比为dj的，通过双管Buck-Boost变换器电路拓扑结构中占空比dj到电感电流iLj的传递函数Gidj实现对其电感电流iLj的控制；继而根据存在于电感电流iLj与输出电压voj之间的传递函数关系Gvij达到对输出电压voj的控制。
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