CN110022054A - 一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法，在变换器启动后，在设定的软起动时间t_start内，原副边全桥内移相角D₁由T逐渐减小到0，保证原副边全桥输出电压方波占空比由0增加到50％。同时给定电压为斜坡给定，移相角D₂由电压闭环控制，输出电压给定斜率和原副边内移相角给定斜率相同，消除启动过程中的电感电流冲击。通过这种方法，可以有效抑制变换器启动过程中的电流冲击和直流电压震荡，无需外部附加辅助启动电路，而且启动过程中不需要切换变换器工作模态，启动逻辑简单可靠，启动后可以直接切换到其他优化控制策略，不会存在暂态可以实现对变换器控制的无缝衔接。

Description

一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法

技术领域

本发明专利属于电气工程领域的双向直流变换器能量传输技术，具体涉及一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法。

背景技术

隔离型双向直流变换器主要由一个高频变压器和两个全桥电路构成，具有模块化对称结构、双向功率传输能力等优点，它适合应用于混合动力汽车、电力电子变压器以及智能电网中能量存储系统中等。

隔离型双向直流变换器通常采用移相控制，按照控制移相角的数量可以分为单移相控制、双重移相控制和三重移相控制，由于变换器拓扑的工作特点分析可知，常规的通过限制给定信号的方法无法实现变换器的软启动，因为在启动瞬间，输出电容将被视为短路状态，如果没有软启动控制策略，变换器会产生较大的冲击电流，在高压大功率场合下尤为明显，因此需要相应的软启动控制方法保证变换器的稳定运行。

现有的改善上述现象的方法主要有以下几种：通过增加附加软启动电路，例如加入软启动电阻等限制启动过程中的冲击电流，但这种方法会增加成本同时也增加了变换器的电路损耗；通过闭锁二次侧全桥开关器件，给一次侧原边全桥开关管窄的驱动脉冲来给二次侧充电，由于驱动脉冲很窄，所以能抑制冲击电流的大小，降低对变换器器件影响的可能，但这种方式启动过程中涉及到工作模式的切换，切换过程容易产生冲击并且控制方法相对复杂；另一种是将二次侧同样也控制成整流电路，通过控制原边桥式电路的驱动信号实现输出电压和给定电压同时上升，这种方法没有工作模式切换，但启动过程中原副边工况不对称，控制器容易饱和，想实现变换器两个功率流向的双向软启动控制，需要改变控制逻辑，相对繁琐。

以上的控制方法虽然都能在一定程度上有效的抑制启动冲击电流，但是存在着软启动过程中工作模态多、原副边工况不对称、不适用于变换器双向软启动等的问题，因此为实现高压大功率双向全桥直流变换器的软启动控制，有必要对现有的软启动控制方法做进一步的研究改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法。本发明通过原副边全桥内部移相角和给定电压协同调节控制，可以实现输出侧母线电容平稳上升，从而有效的抑制启动电流，启动过程简单，原副边工况对称，无需复杂的控制逻辑，不需切换变换器工作模态。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：

一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法，其中本方法所涉及的双向全桥直流变换器包含直流电源U₁、一个输入电容C₁、一个原边全桥H₁、一个辅助电感L、一个高频变压器T、一个副边全桥H₂、一个输出电容C₂和一个负载电阻R；所述的原边全桥包括四个开关管，记为开关管S_i(i＝1，2，3，4)，所述副边全桥包括四个开关管，记为Q_i(i＝1，2，3，4)。

本发明中提出的控制方法步骤如下：

1)隔离型双向直流变换器启动后，输入侧全桥和输出侧全桥内部移相角给定为T(半个开关周期)。

2)在设定的启动时间t_start内，原副边全桥内移相角D₁由T逐渐减小到0，使原副边全桥输出的等效电压占空比增加。

3)在设定的启动时间t_start内，输出电压给定值按照斜坡函数从0逐渐增加到额定值，输出电压给定值和内部移相角给定值斜率相同。

在启动时间内，步骤1)-步骤3)同时执行。

所述步骤1)中，在启动时间内，变换器原副边全桥H₁、H₂开关管控制信号的内部移相比相同。

所述步骤2)与步骤3)中，在启动时间内，开关管S₁-S₄、Q₁-Q₄占空比均为50％，同一桥臂上下开关管S₁和S₂、S₃和S₄、Q₁和Q₂以及Q₃和Q₄互补导通。

所述步骤3)中，通过原副边全桥移相控制使输出电压斜坡上升，给定电压与输出电压差值送入PI调节器，PI调节器的输出是变换器副边全桥输出电压相对于原边全桥输出电压的移相角。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明提出的控制方法能够有效降低隔离型双向直流变换器启动过程中的冲击电流，不需要附加的软启动电路，没有额外的功率损耗，没有增加变换器本身的成本与控制复杂度，易于工程推广和实践。

2、本发明提出的控制方法启动过程与正常工作时变换器的工作模式不会改变，不存在模式切换过程中的母线电压震荡和电流冲击。

3、本发明提出的控制方法启动过程中，只需要控制各个驱动信号之间的移相角，不需改变驱动信号本身的占空比，软启动完成后可以方便与现有的优化控制方案无缝对接。

4、本发明提出的控制方法中隔离型双向直流变换器的软启动过程原副边全桥所有桥臂开关管驱动波形对称，无论变换器从高压侧还是低压侧启动均适用，实用性和适用性都更好。

附图说明

图1为实施例中隔离型双向直流变换器的拓扑示意图；

图2为实施例中隔离型双向直流变换器的等效模型示意图；

图3为实施例中隔离型双向直流变换器启动过程中的波形图；

图4为实施例中隔离型双向直流变换器软启动控制框图；

图5为实施例中隔离型双向直流变换器直接启动仿真结果；

图6为实施例中隔离型双向直流变换器软启动仿真结果

具体实施方式

下面结合附图与具体的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。

应该指出，以下详细说明都是实例性的，旨在对本申请提供进一步说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本发明的目的在于提供一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法。本发明通过原副边全桥内部移相角和给定电压协同调节控制，可以实现输出侧母线电容平稳上升，从而有效的抑制启动电流，启动过程简单，无需复杂的控制逻辑，变换器工作模态不需切换。

隔离型双向直流变换器的拓扑结构如图1所示。其中，假设功率是从U₁侧流向U₂侧，U₁是输入侧直流母线电压，U₂是输出侧直流母线电压，即对U₂侧电容充电。L_s是变压器漏感和辅助电感之和；R_s是输入电源的等效电阻；R是输出侧负载电阻；i_Ls是电感电流；高频变压器T的变比为n:1。

两个原副边全桥H₁和H₂均由控制信号驱动。对于输入侧全桥H₁，开关管S1和S2的驱动信号互补，开关管S3和S4的驱动信号互补；对于输出侧全桥H₂，开关管Q1和Q2的驱动信号互补，开关管Q3和Q4的驱动信号互补。

为了简化分析，两个方波电压源由各自的基波分量电压源代替，如图2所示，各向量的表达式如下。

上式可以写成

电感电流幅值I_Ls表达式为

由式(4)可知，电感电流的大小与原副边全桥输出电压基波的电压差和基波的移相角有关，其中基波的移相角决定了功率传输的方向和大小，而基波电压差只能增大电感电流幅值而对功率传输没有影响。

采用双重移相控制的变换器软启动控制的典型波形如图3所示，通过外移相角控制输出功率的基础上，在原副边全桥内分别加入同样的移相角，用以消除启动过程中的电感电流冲击。

t₀-t₁时间段内电流正向上升，功率正向传递；而在t₁-t₂时间段内，由于原副边电压差值的存在，电感电流继续正向上升直至达到最大值I_MAX。

本发明所提出的软启动控制策略的思想是控制原副边基波电压的幅值大小，保证基波电压之间的相位差以正向传输功率使输出电压平稳上升，在原副边电压差值较大的时间段内，减小原副边基波电压的幅值以限制电流的上升，从而降低软启动过程中的电流冲击。

启动过程中变换器的电感电流i_Ls有如下关系：

因为在变换器软启动过程中，电容电压平稳上升，相邻周期内的电感电流近似对称，所以有I₃＝I₁。可得电感电流最大值i_max为

从式(6)中可以看出，在输出电压较小即原副边电压差值较大的时候，通过给定较小的可以有效降低电流大小。

本发明中隔离双向直流变换器软启动控制方法的具体实施步骤如下：

1)隔离型双向直流变换器启动时，输入侧全桥和输出侧全桥内部移相角给定为T(半个开关周期)。

2)在设定的启动时间t_start内，原副边全桥内移相角D₁由T逐渐减小到0，使原副边全桥输出的等效电压占空比增加。

3)在设定的启动时间t_start内，输出电压给定值按照斜坡函数从0逐渐增加到额定值，输出电压给定值和内部移相角给定值斜率相同。

4)在设定的启动时间t_start内，步骤1)步骤2)步骤3)同时执行。

在步骤1)中，在启动时间内，变换器原副边全桥H₁、H₂开关管控制信号的内部移相比相同。

在步骤2)与步骤3)中，在启动时间内，开关管S₁-S₄、Q₁-Q₄占空比均为50％，同一桥臂上下开关管S₁和S₂、S₃和S₄、Q₁和Q₂以及Q₃和Q₄互补导通。

在步骤3)中，通过原副边全桥移相控制使输出电压斜坡上升，给定电压与输出电压差值送入PI调节器，PI调节器的输出是变换器副边全桥输出电压相对于原边全桥输出电压的移相角。

为了验证软启动方法的有效性，在MATLAB/Simulink中进行了仿真验证。仿真参数见表1。

表1

直接启动时变换器的电感电流和输出电压波形如图5所示，在0.01s时变换器启动，初始时刻输入输出侧开关管占空比均为50％，单移相控制模式下，输出电压平稳上升，由于副边起始电压为零，原边电压在有效占空比期间一直使电感电流上升，冲击电流大约为17A，不利于变换器的安全工作。

本发明提出的软启动控制方法启动过程中波形如图6所示，启动时间为50ms，启动过程中的冲击电流完全消除，输出电压平稳上升至额定值，由于启动过程中不涉及到模态切换，所以不存在切换过程中的冲击和振荡，结果表明提出的软启动控制方法简单有效。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属的技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法，其中本方法所涉及的双向全桥直流变换器包含直流电源U₁、一个输入电容C₁、一个原边全桥H₁、一个辅助电感L、一个高频变压器T、一个副边全桥H₂、一个输出电容C₂和一个负载电阻R；所述的原边全桥包括四个开关管，记为开关管S_i(i＝1，2，3，4)，所述副边全桥包括四个开关管，记为Q_i(i＝1，2，3，4)。

其特征在于，包括以下实施步骤：

1)隔离型双向直流变换器启动后，输入侧全桥和输出侧全桥内部移相角给定为T(半个开关周期)。

2)在设定的启动时间t_start内，原副边全桥内移相角D₁由T逐渐减小到0，使原副边全桥输出的等效电压占空比增加。

3)在设定的启动时间t_start内，输出电压给定值按照斜坡函数从0逐渐增加到额定值，输出电压给定值和内部移相角给定值斜率相同。

2.根据权利要求1所述的一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法，其特征为：在启动时间内，步骤1)-步骤3)同时协同执行。

3.根据权利要求1所述的一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法，其特征为：在启动时间内，变换器原副边全桥H₁、H₂内部移相比相同。

4.根据权利要求1所述的一种隔离型双向全桥直流变换器的双移相软启动控制方法，其特征为：在启动时间内，开关管S₁-S₄、Q₁-Q₄占空比均为50％，同一桥臂上下开关管S₁和S₂、S₃和S₄、Q₁和Q₂以及Q₃和Q₄互补导通。