CN110474540A - 基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法,仅需要数字信号处理器和单个电压传感器,即可实现两模块之间的均流,该控制方法的实现步骤包括共同控制信号突加单模块扰动阶段、模块间参数比估算阶段及参数补偿均流实现阶段。本发明能有效避免传统均流控制电流低频振荡的现象,并且无需均流控制器和电流传感器,使得整个电源外围控制电路更加简单,成本大为减低,且提高了电源系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术应用领域,具体涉及一种基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法。
背景技术
随着现代化进程的加快,大功率电气设备的应用场合越来越多,大功率电源的需求也快速增加。然而,制造单台的大功率电源存在很多困难:1、需要提高电力电子开关器件的电压电流等级,制造困难,其成本也会大幅度提高;2、大功率磁性元件设计困难;3、大功率开关器件以及磁性元件的散热困难。
中低功率开关电源交错并联系统能是一种实现大功率电源的有效途径,能很好地解决上诉单台大功率电源开关元器件以及磁性元件体积的问题,并且还拥有以下优点:1、若模块间采用交错并联的工作方式,可以减小输出纹波,减小滤波器容量和体积,提高响应速度;2、并联系统提高系统的可靠性;3、模块化使得生成制造更加方便。
然而,多模块的并联增大电源系统功率的方法又带来新的问题。由于各个模块存在或多或少的差异,会出现输入输出电流不均衡的现象。这种情况如果严重时,会使得某些模块过载运行,而某些模块负载较轻。长时间重载的模块必然会容易出现故障,这是实际应用中不允许的。针对此问题,学者提出了许多模块间的均流控制策略,主要包括输出电阻均流法、主从均流法、平均电流法、最大电流均流法。这些控制策略一部分属于开环控制,均流控制效果差,例如输出电阻均流法。另一部分为了实现均流往往需要很多的高精度电流传感器和额外的均流控制器,这使得整个系统的成本大幅增加,其中主从均流法的冗余性差,主模块一旦故障则整个系统无法正常工作;平均电流法某模块故障不会停机,但输出电压精度会大幅度下降;最大电流均流法在某模块故障时能仍能正常,但其正常工作时会出现低频振荡的现象,输出电压精度也有一定程度地下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法,该方法基于均流控制系统实现,均流控制系统由两模块并联的双向半桥变换器、电压传感器、模数转换器、电压控制器、数字信号处理器组成;
两个双向半桥变换器模块共用一个输出电压传感器,电压传感器的采集信号经过降压,送入模数转换器,模数转换器的输出信号Vo送入数字信号处理器中,与内部设置的电压基准值Vref进行比较得到误差信号,误差信号经过数字化的电压控制器,生成模块的前后桥臂的移相控制信号,移相控制信号经过无电流传感器控制模块,生成两个双向半桥变换器模块不同的移相控制信号d1、d2,经过数字信号处理器内部的PWM发生模块,生成每个开关管的控制信号。
两个双向半桥变换器模块对应的开关控制信号相差180°,每个模块的低压侧桥臂与高压侧桥臂上下开关管控制信号互补,高压侧桥臂的控制信号与低压侧的控制信号超前一个移相角。
数字信号处理器内部设置有均流模块,其均流方法为:
步骤1、两直流变换器模块在同一控制信号下运行工作,并记录同一控制信号下的控制量;
步骤2、两个双向半桥变换器模块分别为模块1与模块2,给模块2突加一个控制信号扰动,使得模块1与模块2的控制信号相差一个扰动量,在电压闭环控制器的作用下,系统逐渐稳定,记录下稳定前后的控制信号量;
步骤3、根据扰动前后控制信号的值,估算两模块间的参数比值,根据参数比值得到模块2与模块1均流控制下的控制信号值的差值,实现无电流传感器的均流控制。
进一步的,模块1与模块2的输入电流分别分Iin1与Iin2,其值为:
其中Llk1,Llk2是模块1和模块2的变压器漏感值;n1,n2是变压器的原副边匝数比;Vh为直流变换器高压侧输出电压;d1,d2是每个模块的控制信号;
两个模块先工作在同一移相控制信号之下,并记录该值,具体为:Vref为输出电压参考值,Vo为变换器输出电压采样经模数转换器送入DSP的值,两者在DSP中做差值经控制器输出控制信号d1与d2,同时记录下此时的值为D;各个模块输入电流在这种控制信号下不相同的,结合式(1)可以得到:
其中L1=L=Llk1/n1,L2=L=Llk2/n2为两模块的参数,是每个模块漏感与变压器匝数比的比值;
通过单次扰动来估算模块间参数差;具体为:在某一时刻给模块2的控制信号d2突加一个扰动Δdp,在电压控制环路的作用下达到新的稳态,此时记录下步骤1与步骤2稳态时控制信号的差值Δd1,Δd2;此时,两个模块的输入电流在步骤1与步骤2中前后的差值可结合式(2)表示为:
由于负载和输出电压没变,则总输入电流值也没变,即ΔIin1+ΔIin2=0,并由此可推导得到:
在估算出模块间参数比的基础上,模块2的控制信号可由模块1的控制信号加一个估算补偿量Δd来得到;
假设模块2控制信号已经由模块1控制信号加补偿量Δd得到,并实现了均流,则两个模块的输入电流相等,结合式(1):
因此可得到:
式(6)中的参数比值L2/L1由步骤2确定,模块2控制信号由d1加上述补偿量Δd得到:
与现有技术相比,本发明的显著优点为:(1)相对于传统的主动均流控制方法,这种均流控制方法不要为每个变换器模块加装电流传感器,只需要一个共用的电压传感器,整机成本也因此大为降低;(2)这种控制方式是基于模块间参数比估算与补偿的,因而在均流控制时不像传统控制方法会有低频振荡的现象,输出电压的精度也不会因为均流控制而受到影响。
附图说明
图1是本发明的无电流传感器的交错并联双向半桥直流变换器的系统结构图。
图2是交错并联双向半桥直流变换器的功率主电路图。
图3是图1中模块1的四个开关管控制信号示意图。
图4是无电流传感器的均流控制实现方法,其中图4(a)为步骤1的控制示意图,图4(b)为步骤2的控制示意图,图4(c)为步骤3的控制示意图。
图5为一个实例的均流控制效果波形图,其中图5(a)为使用本发明的控制方法前的均流效果图,图5(b)为使用本发明控制方法后的均流效果图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法,基于共同控制信号突加扰动来实现模块间参数估算,在准确估算模块间参数的基础上,对某些模块进行准确的控制信号补偿,从而实现均流控制。
如图1所示,一种基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法,其实现是基于均流控制系统,均流控制系统由两模块并联的双向半桥变换器、电压传感器、模数转换器、电压控制器、数字信号处理器组成;这种新的均流结构与传统的多模块并联变换器的均流结构相比,本发明的硬件系统不需要电流传感器即可实现两模块之间的均流控制。本发明的均流控制方法实现基于上述硬件系统,还依靠由特有算法组成并写入数字信号处理器中的均流模块。
均流控制系统主功率部分为两个双向半桥变换器模块输入输出并联连接,两个共用一个输出电压传感器。输出电压传感器的采集信号经过降压,被送入模数转换器,模数转换器的输出信号Vo被送入数字信号处理器DSP中,与内部设置的电压基准值Vref进行比较得到误差信号,这个误差信号经过数字化的电压控制器,生成模块的前后桥臂的移相控制信号,这个信号经过无电流传感器控制模块,生成两个双向半桥变换器模块不同的移相控制信号d1,d2,经过DSP内部的PWM发生模块,生成每个开关管的控制信号。模块1和模块2的每一个对应的开关控制信号相差180°,以实现输入电流纹波为同相控制信号时的一半。每个模块的低压侧桥臂与高压侧桥臂上下开关管控制信号互补,高压侧桥臂的控制信号与低压侧的控制信号超前一个移相角,这个移相角由均流模块的输出信号d1和d2决定。本发明就是控制两个模块的移相角的微小不同,以实现模块之间的均流。
本发明基于数字信号处理器的均流模块,该模块需要经过三个步骤实现。
步骤1是模块间参数估算的基础,两直流变换器模块在同一控制信号下运行工作,并记录同一控制信号下的控制量;
步骤2在步骤1的工作条件下,给模块2突加一个控制信号扰动,使得模块1与模块2的控制信号相差一个扰动量,这个扰动量的取步骤1中的控制量的百分之二十,在电压闭环控制器的作用下,系统逐渐稳定,记录下稳定前后的控制信号量;
步骤3在步骤2上进行,根据扰动前后控制信号的值,来估算两模块间的参数比值,根据这个比值来得到模块2与模块1均流控制下的控制信号值的差值,从而实现无电流传感器的均流方法。与传统的控制方法不同,本发明有着先实验测参数,后实现均流的特征。
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明的原理和方案。
实施例
本实施例中两个直流变换器模块的输入电压Vl并联,输出电压Vh并联。其输出电压被电压采样器采样,经过高精度数模变换器进入DSP,与参考值进行比较,经由DSP内部的均流控制模块,分别输出模块1与模块2不同的控制信号d1与d2,从而实现均流,其中d1与d2的定义为两模块低压侧开关管与高压侧导通信号移相角与π的比值。两模块的功率主电路如图2所示,其中模块1由1个电感(L1),1个隔离变压器T1(Llk为变压器漏感)、4个开关管(Q11、Q12、Q13、Q14)、4个大电容(C11、C12、C13、C14)构成,模块2结构一致,只是参数大小上由于工艺存在细小差别。模块1的四个开关管控制信号如图3所示,模块2的控制信号与模块1基本一致,只是在相角上滞后180°。
结合图2所示,模块1与模块2的输入电流分别分Iin1与Iin2,其值为:
其中Llk1,Llk2是模块1和模块2的变压器漏感值;n1,n2是变压器的原副边匝数比;Vh为直流变换器高压侧输出电压;d1,d2是每个模块的控制信号,例如d1其定义为图3中的低压侧上开关管Q11与高压侧上开关管Q21的移相角与π的比值。
步骤1是先让两个模块先工作在同一移相控制信号之下,并记录该值,如图4(a)。具体为:Vref为输出电压参考值,Vo为变换器输出电压采样经模数转换器送入DSP的值,两者在DSP中做差值经控制器输出控制信号d1与d2,同时记录下此时的值为D。由于漏感值与匝数比存在着一些微小的差别,各个模块输入电流在这种控制信号下不相同的,结合式(1)可以得到:
其中L1=L=Llk1/n1,L2=L=Llk2/n2为两模块的参数,是每个模块漏感与变压器匝数比的比值。
步骤2在步骤1稳定的前提下进行,通过单次扰动来估算模块间参数差,如图4(b)所示。具体为:在某一时刻给模块2的控制信号d2突加一个扰动Δdp,Δdp不应该过大或者过小,取D的百分之二十左右。在电压控制环路的作用下会达到新的稳态,此时记录下步骤1与步骤2稳态时控制信号的差值Δd1,Δd2。此时,两个模块的输入电流在步骤1与步骤2中前后的差值可以结合式(2)表示为:
由于负载和输出电压没变,则总输入电流值也没变,即ΔIin1+ΔIin2=0,并由此可以推导得到:
也就是说,通过一次突加控制信号扰动,可以在稳态时求得两个不同模块之间的参数比值。这个比值一旦被较好地估算,只要每个模块的元器件没有发生大变动,就不要再重复步骤1和步骤2。若工作环境变动大或者模块中的变压器替换,在进行新的均流控制前,则需要重新进行步骤1和步骤2的操作,估算出新的参数比值。
步骤3是在步骤2的基础上进行的,在估算出模块间参数比的基础上,模块2的控制信号可由模块1的控制信号加一个估算补偿量Δd来得到。下面对估算补偿量Δd的计算原理和方法进行介绍。
先假设模块2控制信号已经由模块1控制信号加补偿量Δd得到,并实现了理想均流,则两个模块的输入电流相等,结合式(1):
因此可以得到:
式(6)中的参数比值L2/L1由步骤2确定,模块2控制信号可以由d1加上述补偿量Δd来得到:
如图4(c)所示,本发明所述的模块1控制信号在步骤1和步骤3中是一样,是由DSP内的电压控制器直接输出得到的,而模块2的控制信号在均流控制器下,由模块1的控制信号加上步骤3中的补偿量来得到。
本发明实例的控制效果在图5中得到了展示,两个模块的参数差10%左右。图5(a)是使用本发明所述方法之前的自动均流情况,Iin1与Iin2分别为模块1和模块2的输入电流,其平均值相差10%。图5(b)是使用本发明方法之后的均流情况,两个模块的输入电流基本相等。实例证明本发明所述方法在不使用电流传感器的情况下,实现较高程度的并联模块间均流。
本发明无需额外的均流控制器以及电流传感器,仅需要一个高精度的电压传感器和数字控制器,相比于现有方法,整个并联结构电源的采样与控制电路大大被简化,价格更低,可靠性更高,并且控制结果显示这种控制方法能避免一些传统控制方案发生低频扰动的现象。本发明的控制方案能使模块参数差异较大的模块电源实现较高程度的均流。
Claims (4)
1.一种基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法,其特征在于,该方法基于均流控制系统实现,均流控制系统由两模块并联的双向半桥变换器、电压传感器、模数转换器、电压控制器和数字信号处理器组成;
两个双向半桥变换器模块共用一个输出电压传感器,电压传感器的采集信号经过降压,送入模数转换器,模数转换器的输出信号送入数字信号处理器中,与内部设置的电压基准值进行比较得到误差信号,误差信号经过数字化的电压控制器,生成模块的前后桥臂的移相控制信号,移相控制信号经过无电流传感器控制模块,生成两个双向半桥变换器模块不同的移相控制信号d1、d2,经过数字信号处理器内部的PWM发生模块,生成每个开关管的控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法,其特征在于,两个双向半桥变换器模块对应的开关控制信号相差180°,每个模块的低压侧桥臂与高压侧桥臂上下开关管控制信号互补,高压侧桥臂的控制信号与低压侧的控制信号超前一个移相角。
3.根据权利要求1所述的基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法,其特征在于,数字信号处理器内部设置有均流模块,其均流方法为:
步骤1、两直流变换器模块在同一控制信号下运行工作,并记录同一控制信号下的控制量;
步骤2、两个双向半桥变换器模块分别为模块1与模块2,给模块2突加一个控制信号扰动,使得模块1与模块2的控制信号相差一个扰动量,在电压闭环控制器的作用下,系统逐渐稳定,记录下稳定前后的控制信号量;
步骤3、根据扰动前后控制信号的值,估算两模块间的参数比值,根据参数比值得到模块2与模块1均流控制下的控制信号值的差值,实现无电流传感器的均流控制。
4.根据权利要求3所述的基于两模块双向半桥直流变换器交错并联的无电流传感器均流控制方法,其特征在于,模块1与模块2的输入电流分别分Iin1与Iin2,其值为:
其中Llk1,Llk2是模块1和模块2的变压器漏感值;n1,n2是变压器的原副边匝数比;Vh为直流变换器高压侧输出电压;d1,d2是每个模块的控制信号;
两个模块先工作在同一移相控制信号之下,并记录该值,具体为:Vref为输出电压参考值,Vo为变换器输出电压采样经模数转换器送入DSP的值,两者在DSP中做差值经控制器输出控制信号d1与d2,同时记录下此时的值为D;各个模块输入电流在这种控制信号下不相同的,结合式(1)可以得到:
其中L1=L=Llk1/n1,L2=L=Llk2/n2为两模块的参数,是每个模块漏感与变压器匝数比的比值;
通过单次扰动来估算模块间参数差,具体为:在某一时刻给模块2的控制信号d2突加一个扰动Δdp,在电压控制环路的作用下达到新的稳态,此时记录下步骤1与步骤2稳态时控制信号的差值Δd1,Δd2;此时,两个模块的输入电流在步骤1与步骤2中前后的差值可结合式(2)表示为:
由于负载和输出电压没变,则总输入电流值也没变,即ΔIin1+ΔIin2=0,由此可推导得到:
在估算出模块间参数比的基础上,模块2的控制信号由模块1的控制信号加一个估算补偿量Δd得到;
假设模块2控制信号已经由模块1控制信号加补偿量Δd得到,并实现了均流,则两个模块的输入电流相等,结合式(1):
因此可得到:
式(6)中的参数比值L2/L1由步骤2确定,模块2控制信号由d1加上述补偿量Δd得到:
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191119 |
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