CN109256956A - 一种隔离型dc-dc变换器控制方法 - Google Patents

一种隔离型dc-dc变换器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隔离型DC‑DC变换器控制方法。涉及电力电子器件控制技术领域。将实时变化的等效电压变比k1引入控制环路中，通过控制隔离型DC‑DC变换器的一、二次侧桥臂中点电压之间的移相角一次侧桥臂中点电压占空比D1_1，二次侧桥臂中点电压占空比D2_1，使变换器在宽输入电压范围，宽输出电压范围，传输相同功率情况下，实现漏感电流有效值最小控制。在变换器输入输出电压范围宽的条件下，通过实时变化的等效电压变比k1，协调控制D1_1、D2_1、在满足负载所需功率的情况下，使变压器漏感电流有效值最小。减小电路中磁性元件的铜耗和开关管的通态损耗，同时，在整个传输功率范围内，电路中的所有开关管都能够实现零电压导通，有效减少了功率器件的开关损耗。

Description

一种隔离型DC-DC变换器控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子器件控制技术领域。
背景技术
隔离型双向DC-DC变换器是可以二象限运行且能够实现输入、输出侧电气隔离、输入输出电压高增益的DC-DC变换器。隔离型高增益双向DC-DC变换器在地铁辅助供电系统、新能源发电、新能源汽车等领域被广泛使用。
地铁辅助供电中输入电压范围宽，正常允许波动电压范围为直流1000V至1800V，作为联系直流牵引网和超级电容的中间转换媒介，双向直流变换器要能够适应宽输入电压范围；太阳能发电，风力放电等新能源发电，其输出电压和气候条件如光照、温度、风速等有关，变化范围较宽；新能源汽车储能系统中常见的有蓄电池储能系统和超级电容储能系统，超级电容储能系统作为隔离型双向DC-DC变换器的负载，具有宽范围输出电压的特性。各应用领域需要隔离型DC-DC变换器具有宽输入、宽输出、高增益和高效率的特性。
隔离型双向DC-DC变换器主要有两种拓扑：双向全桥两电平DC-DC变换器，双向半桥三电平DC-DC变换器。双向全桥两电平DC-DC变换器适用于低电压大电流场合。双向半桥三电平DC-DC变换器适合应用于高电压小电流场合。不论是双向全桥两电平或者双向半桥三电平电路，都可以工作在移相，单移相，扩展移相三种工作模式。传统控制算法，软开关范围是针对固定电压情况，当电压变换范围较宽时，采用传统控制，变换器有可能无法工作在软开关区间，开关损耗较高，影响系统效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种隔离型DC-DC变换器控制方法，它能有效地解决隔离型DC-DC变换器漏感电流有效值控制的技术问题。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：一种隔离型DC-DC变换器控制方法，由于变换器的等效电压变比k1值是一个变化的值，因此，该变换器的输入、输出电压范围存在差异。将该变换器实时变化的等效电压变比k1引入控制环路中，通过控制隔离型DC-DC变换器的一、二次侧桥臂中点电压之间的移相角一次侧桥臂中点电压占空比D1，二次侧桥臂中点电压占空比D2，使该变换器的输入/输出电压范围扩大到原来的0.5～2倍，在传输相同功率情况下，实现漏感电流有效值的控制，具体控制方法步骤如下：
步骤一、控制环路的电压控制算法通过对负载侧电压V2和参考电压V2ref的误差进行反馈控制，得到移相比
步骤二、控制环路的等效变比计算算法是通过实时采集输入电压V1，负载侧电压V2，计算实时的等效电压变比k1值，k1＝nV2/V1，n为变压器变比；
步骤三、读入步骤二的结果，通过等效变比判断更新算法，判断等效电压变比k1值给出变比控制信号k和k值标志位flag:
若k1<1，则输出标志位flag＝0，以及变比控制信号k＝k1；
若k1≥1，则输出标志位flag＝1，以及变比控制信号k＝1/k1；
步骤四、读入步骤一，步骤三的结果，根据变比控制信号k和移相角进入优化控制算法，根据以下规则得到一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2；若flag＝0，则得到的一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2为最终占空比信号D1_1和D2_1；若flag＝1，则得到的一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2交换后为最终的一次侧桥臂电压的占空比D1_1和二次侧桥臂电压的占空比D2_1；
当的范围在时，
当的范围在时，
当的范围在时，D1＝1，D2＝1；
步骤五、将步骤一、步骤四得到的D1_1和D2_1输入该变换器产生算法后，产生相应的开关信号反馈控制主电路中开关器件的通断。
本发明与现有技术相比的优点和效果：有效地优化了扩展移相控制，到达在轻载时将电流有效值降为零，使变换器的输入/输出电压范围扩大到原来的0.5～2倍，可以实现全功率范围的软开关，利用了变换器的双边三电平的优势，极大的减小了变换器开关损耗和通态损耗以及隔离变压器的铜损铁损。
附图说明
图1是本发明变参数电流有效值最小控制方法的实施框图。
图2是本发明DC-DC变换器拓扑图。
图3是本发明匹配情况下变换器扩展移相控制的工作波形图。
图4是本发明不匹配情况下变换器扩展移相控制的工作波形图。
图5是本发明双向半桥三电平DC-DC变换器正向传输功率的六种工况。
其中，图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别表示A、B、C、D、E、F六种情况的工作波形。
图6是k＝0.7、0.8、1.2、1.3时，D1、D2关于的电流有效值最小控制的关系曲线。
具体实施方式
一种隔离型DC-DC变换器控制方法，变换器输入输出电压变化范围宽，需要等效电压变比k1值匹配输入输出电压，双向半桥三电平DC-DC变换器为例，主电路如图2(b)所示，当输入输出电压幅值匹配时，其优化的扩展移相控制工作波形如图3所示，当输入输出电压幅值不匹配时，其优化的扩展移相控制工作波形如图4所示，图4中灰色区域表示环流功率，当输入输出电压幅值不匹配时，导致变换器内部环流功率和电流应力会大大增加，进而增大了开关器件和磁性元件的损耗，降低了变换器的效率。本发明控制方法的具体执行过程和技术推导如下：
双向半桥三电平DC-DC变换器，输入输出电压变化范围宽，定义等效电压变比k1＝nV2/V1，n为变压器变比，由于输入电压V1，输出电压V2是一个变化范围大的值，因此k1值是一个变化的值。由于k1<1和k1≥1是相互对称的，以k1<1为例，双向半桥三电平DC-DC变换器在传输功率时，随着D1、D2、取不同的值，电路出现六种工况，六种工况的工作波形如图5(a)～图5(f)所示。根据电流有效值最小的控制目标，只选择其中的三种工况图5(a)、图5(b)、图5(f)。
变换器要能够通过控制D1和D2改变输出端口正负电平的作用时间，使得变换器在全功率范围内满足软开关，实现零电压导通的条件为：开关管关断时刻电流流经开关管，例如图5(a)中要求：iL(t2)≥0，iL(t3)≤0。开关管导通前，工作电流流经其反并联的二极管，例如，图5(a)中：iL(t0)≥0，iL(t1)≤0。对于k1<1，图5(a)、图5(b)、图5(f)三种工况要能满足零电压导通的条件，必须要求D1<D2；对于k1≥1，要能满足零电压导通的条件，必须要求D1>D2。根据等效变比大小判断更新算法，对k1<1和k1≥1进行统一：若k1<1，则输出标志位flag＝0，以及变比控制信号k＝k1；若k1≥1，则输出标志位flag＝1，以及变比控制信号k＝1/k1。
图5(a)、图5(b)、图5(f)三种工况下实现电流有效值最小控制时D1、D2、的关系分析如下：
根据图5中，(a)、(b)、(f)三种情况的工作波形，计算每种工况下传输功率的表达式：其中Ts为一个开关周期，VAB为变换器原边端口电平电压，iL为变压器原边漏感电流。由此可以得到传输功率P关于k、D1、D2、的函数关系为f：
根据图5中，(a)、(b)、(f)三种情况的工作波形，计算每种工况下电感电流有效值：电感电流有效值IL是k、D1、D2、的函数关系为g。
由式(1)得到关于D1、D2、P的函数关系f1：
将式(3)代入式(2)得到电感电流有效值关于k、D1、D2和P的函数关系g1：
根据式(4)可求解得到使偏导为零的D1、D2关于k、P的函数关系h1：
D1＝h1(k,P) (5)
D2＝h2(k,P) (6)
将式(5)、(6)中的P用式(1)代替，并联合求解式(8)、(9)得到D1、D2关于k、的函数关系H1和H2：
根据式(7)、(8)得到的D1、D2关于k、的关系式是传输一定功率下所有D1、D2、组合中使电感电流有效值最小的组合。
反向传输功率时，控制方法的分析步骤与上述相同。
根据上述分析步骤，得到输入输出电压变化范围宽(变k情况下)，从空载到满载整个功率范围内，使电感电流有效值最小的D1、D2关于表达式如式(9)所示，在不同的功率范围内，D1、D2关于的关系式是分段函数。
若flag＝0，则得到的一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2为最终占空比信号D1_1和D2_1；若flag＝1，则得到的一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2交换后为最终的一次侧桥臂电压占空比D1_1和二次侧桥臂电压占空比D2_1。。。根据发明内容部分提供的控制方法分析步骤以及由式(9)提供的满足控制目标的D1、D2关于的表达式，图6给出了当k＝0.7、0.8、1.2、1.3时，D1、D2关于的控制曲线。本发明提出的优化控制方法的具体实施方式如图1所示：
a)、控制器的计算通过对负载侧电压(V2)和参考电压(V2ref)的误差进行反馈控制，得到移相比
b)、控制器的等效变比计算算法通过实时采集输入电压(V1)，负载侧电压(V2)，计算实时的等效电压变比k1值,k1＝nV2/V1；
c)、读入b)结果，通过等效变比判断更新算法，通过判断等效电压变比k1值给出k值标志位flag和更新后的变比控制信号k:
若k1<1，则输出标志位flag＝0，以及变比控制信号k＝k1；
若k1≥1，则输出标志位flag＝1，以及变比控制信号k＝1/k1；
d)、读入a)，c)结果，根据变比控制信号k和移相角进入优化控制算法，根据如下规则得到一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2；若flag＝0，则得到的一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2为最终占空比信号D1_1和D2_1；若flag＝1，则得到的一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2交换后为最终的一次侧桥臂电压的占空比D1_1和二次侧桥臂电压的占空比D2_1。
当的范围在时，
当的范围在时，
当的范围在时，D1＝1，D2＝1；
e)、将步骤a)、b)、c)、d)得到的D1_1和D2_1输入开关信号产生算法，产生相应的开关信号，控制主电路中开关器件的通断。
图1是变参数电流有效值最小控制方法的实施框图，本发明提供的控制方法将输入电压V1引入到控制回路中，增加了等效变比计算算法和等效变比大小判断及更新算法，同时本发明的优化控制算法对k1<1和k1≥1进行了统一。

Claims (1)

1.一种隔离型DC-DC变换器控制方法，将该变换器实时变化的等效电压变比k1引入控制环路中，通过控制隔离型DC-DC变换器的一、二次侧桥臂中点电压之间的移相角一次侧桥臂中点电压占空比D1，二次侧桥臂中点电压占空比D2，使该变换器的输入/输出电压范围扩大到原来的0.5～2倍，在传输相同功率情况下，实现漏感电流有效值的控制，具体控制方法步骤如下：
步骤一、控制环路的电压控制算法通过对负载侧电压V2和参考电压V2ref的误差进行反馈控制，得到移相比
步骤二、控制环路的等效变比计算算法是通过实时采集输入电压V1，负载侧电压V2，计算实时的等效电压变比k1值，k1＝nV2/V1，n为变压器变比；
步骤三、读入步骤二的结果，通过等效变比判断更新算法，判断等效电压变比k1值给出变比控制信号k和k值标志位flag:
若k1<1，则输出标志位flag＝0，以及变比控制信号k＝k1；
若k1≥1，则输出标志位flag＝1，以及变比控制信号k＝1/k1；
步骤四、读入步骤一，步骤三的结果，根据变比控制信号k和移相角进入优化控制算法，根据以下规则得到一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2；若flag＝0，则得到的一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2为最终占空比信号D1_1和D2_1；若flag＝1，则得到的一次侧桥臂电压的占空比D1和二次侧桥臂电压的占空比D2交换后为最终的一次侧桥臂电压的占空比D1_1和二次侧桥臂电压的占空比D2_1；
当的范围在时，
当的范围在时，
当的范围在时，D1＝1，D2＝1；
步骤五、将步骤一、步骤四得到的D1_1和D2_1输入该变换器开关信号产生算法后，产生相应的开关信号反馈控制主电路中开关器件的通断。
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