CN110492753A - 一种带储能电感的双向全桥dc-dc变换器的等效控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种带储能电感的双向全桥DC‑DC变换器的等效控制方法，在提出一种带储能电感的双向全桥DC‑DC变换器拓扑结构的基础上，针对变换器现有控制方法较为复杂繁琐等问题，根据变换器工作模式的不同而采用不同的等效控制法，当变换器工作于降压充电模式时，将其等效为一种隔离型全桥电路来进行控制，而当变换器工作于升压放电模式时，则将其等效为一种Boost电路来进行控制。本发明可以大大简化带储能电感的双向全桥DC‑DC变换器的控制算法，并提高了变换器运行时的快速性和稳定性，降低了大功率激光器供电电源设计开发的难度与成本。

Description

一种带储能电感的双向全桥DC-DC变换器的等效控制方法

技术领域

本发明属于航空电力变换技术领域，具体涉及一种带储能电感的双向全桥DC-DC变换器的等效控制方法。

背景技术

由于双向全桥DC-DC变换器具有高功率密度、高效率、高变压比以及电气隔离等优点，因此在电动汽车、储能系统以及直流微电网等领域均有着较为广泛的应用前景。而在新一代机载大功率激光器应用中，也需要通过对变换器内部储能装置的充放电来完成激光器负载的电能供应。

在大功率激光器负载的供电电源中，由于需要对其内部的储能装置实现充放电两种功能，传统的做法是采用两个变换器组合实现储能装置的充放电，即采用充电变换器和放电变换器分别完成储能装置的充电和放电。然而该方法由于变换器数量多，使得系统的体积重量大、功率密度较低；而且各个变换器之间独立工作，对于系统的整体充放电控制以及稳定性有所影响。

随着变换器拓扑结构的多样化发展，现在越来越多的是采用双向全桥DC-DC变换器来同时完成储能装置的充放电。为了实现双向全桥DC-DC变换器稳定的电压输出和良好的动态性能，使激光器能够安全可靠的工作，变换器的拓扑结构及其内部控制方法的优良与否则至关重要。针对双向全桥DC-DC变换器，现在大多采用的是移相控制及其拓展控制方法，该方法可以实现变换器功率的双向流动，并且可以调节传输功率的大小。但是该控制方法由于其内部控制参数较多，且不同控制参数的调节方式较为繁琐，使得其对于变换器内部储能装置的充放电控制来说较为复杂，进而难以简便有效的完成激光器负载的电能供应。

综上，现有的控制方法对于带储能电感的双向全桥DC-DC变换器来说较为复杂、繁琐，不能够在变换器两种工作模式下较为简便的完成其内部储能装置的充放电控制，难以满足新一代机载大功率激光器应用需求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术方法的不足，在提出一种带储能电感的双向全桥DC-DC变换器拓扑结构的基础上，针对变换器现有控制方法较为复杂繁琐等问题，提出一种能在变换器两种工作模式下较为简便的完成其内部储能装置充放电的等效控制方法。该方法根据变换器工作模式的不同而采用不同的等效控制法，当变换器工作于降压充电模式时，将其等效为一种隔离型全桥电路来进行控制；而当变换器工作于升压放电模式时，则将其等效为一种Boost电路来进行控制。

本发明通过一种带储能电感的双向全桥DC-DC变换器，实现输入电源、储能装置和激光器负载三端之间的能量双向传递与转换，变换器的等效拓扑结构简洁，且其内部功率器件实现了复用，使得变换器具有所用器件较少、控制简单、可靠性高以及成本低等优点。本发明所提出的等效控制方法，可以大大简化带储能电感的双向全桥DC-DC变换器的控制算法，并提高了变换器运行时的快速性和稳定性，降低了大功率激光器供电电源设计开发的难度与成本。

本发明的技术方案为：

所述一种带储能电感的双向全桥DC-DC变换器，包括两个桥式功率变换单元、高频隔离变压器和支撑电容，两个桥式功率变换单元分别处于高频隔离变压器的高压侧和低压侧；支撑电容并联于输入电源和负载端；在输入电源和负载端上分别采用投切开关进行控制；每个桥式功率变换单元中均具有4个开关单元，每个开关单元由开关管、反并联二极管及并联电容组成；

其特征在于：所述双向全桥DC-DC变换器还包括储能电感；所述储能电感串联于低压侧桥式功率变换单元的直流母线上；所述储能电感在变换器降压充电模式中起输出滤波电感作用，在变换器升压放电模式中作为变换器的升压储能电感，提高变换器在升压放电模式下的升压范围。

所述一种带储能电感的双向全桥DC-DC变换器的的等效控制方法，其特征在于：

当双向全桥DC-DC变换器工作于降压充电模式时，变换器的主功率电路等效为隔离型全桥电路来进行控制，其中高压侧全桥电路变为可控逆变，互为对角的两只开关管同时导通，而同一侧半桥的上下两只开关管交替导通并留有一定的死区时间，将输入直流电压逆变成幅值为U_i的交流电压，施加在变压器的高压侧；变换器的低压侧全桥电路变为不控整流，4只开关管不加驱动信号，只利用其反并联二极管实现全桥不控整流输出；

当双向全桥DC-DC变换器工作于升压放电模式时，变换器的主功率电路等效为Boost电路来进行控制，其中低压侧全桥电路中的4只开关管同时导通时，储能电感储能，支撑电容为负载供电，当互为对角的两只开关管同时导通时，储能装置和储能电感一同向高压侧负载供电，同时实现变换器的升压功能；变换器的高压侧全桥电路变为不控整流，4只开关管不加驱动信号，只利用其反并联二极管实现全桥不控整流输出。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1)通过一种带储能电感的双向全桥DC-DC变换器，实现了输入电源、储能装置和激光器负载三端之间的能量双向传递与转换；

2)变换器内部功率器件实现了复用，使得变换器具有所用器件较少、控制简单、可靠性高以及成本低等优点；

3)储能电感是本发明中所述变换器与传统双向全桥DC-DC变换器的不同之处，其串联于变压器低压侧桥式功率变换单元的直流母线上，作用为提高变换器在升压放电模式下的升压范围。

4)本发明所提出的等效控制方法，可以大大简化变换器的控制算法，并提高了变换器运行时的快速性和稳定性，降低了大功率激光器供电电源设计开发的难度与成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是带储能电感的双向全桥DC-DC变换器主功率电路拓扑图。

图2是降压充电模式下变换器的主功率电路等效拓扑图。

图3是降压充电模式下变换器的主要工作波形图。

图4是升压放电模式下变换器的主功率电路等效拓扑图。

图5是升压放电模式下变换器的主要工作波形图。

具体实施方式

本发明中所述带储能电感的双向全桥DC-DC变换器，作为大功率激光器所需的供电电源，主要通过变换器内部储能装置的充放电来完成激光器的电能供应。变换器根据其能量流动方向不同，共有降压充电和升压放电两种工作模式。其中，降压充电模式为将机载270V高压直流电能通过降压变换电路存储于储能装置中，当储能装置充电完成后其端电压应达到140V；而当变换器接收到放电指令后则进入升压放电模式，通过升压变换电路将储能装置中存储的能量释放给激光器负载，此时激光器的端电压为500V。

带储能电感的双向全桥DC-DC变换器的主功率电路，由两个桥式功率变换单元、电感、高频隔离变压器和支撑电容等组成。其中，两个桥式功率变换单元分布于高频隔离变压器两侧(高压侧和低压侧)，两个桥式功率变换单元中各有4个开关单元，每个开关单元由开关管、反并联二极管及并联电容组成；电感串联于低压侧桥式功率变换单元的直流母线上，其在变换器降压充电模式中是输出滤波电感，而当变换器工作于升压放电模式时，由于储能装置的端电压相对于激光器负载的端电压较低，而且变换器的升压范围有限，因此电感将成为变换器的升压储能电感，用来提高变换器在升压放电模式下的升压范围；高频隔离变压器位于两个桥式功率变换单元之间，主要进行电压变化和实现输入输出电气隔离的功能；支撑电容并联于输入电源和激光器负载端，其主要功能是稳定输入输出电压，滤除电压中的纹波成分。

本发明针对带储能电感的双向全桥DC-DC变换器现有控制方法较为复杂繁琐等问题，根据变换器工作模式的不同，提出一种等效控制方法。当变换器工作于降压充电模式时，将其等效为一种隔离型全桥电路来进行控制；而当变换器工作于升压放电模式时，则将其等效为一种Boost电路来进行控制。

本发明所提出的等效控制方法，在变换器两种工作模式下的工作原理如下详述：

降压充电模式

当带储能电感的双向全桥DC-DC变换器工作于降压充电模式时，变换器的主功率电路可以等效为隔离型全桥电路来进行控制。该等效控制方式下变换器的高压侧全桥电路将变为可控逆变，由4只开关管Q₁～Q₄组成。其中，互为对角的两只开关管同时导通，而同一侧半桥的上下两只开关管交替导通并留有一定的死区时间，从而将输入直流电压逆变成幅值为U_i的交流电压，施加在变压器的高压侧。而变换器的低压侧全桥电路将变为不控整流，即开关管Q₅～Q₈不加驱动信号，只利用其反并联二极管VD₅～VD₈实现全桥不控整流输出。

变换器通过对高压侧逆变电路中4只开关管Q₁～Q₄的占空比进行控制，在变压器高压侧会得到一个交流方波电压u_AB，经过隔离变压器降压后，将在变压器低压侧得到一个幅值为高压侧1/K倍的交流方波电压u_CD，然后通过低压侧不控整流电路输出，最后经滤波电感L滤波得到直流输出电压，即就是储能装置的端电压U_c。

变换器在降压充电模式下的输入输出电压传输比为：

式中，U_i为输入直流电压；U_c为储能装置端电压；K为变压器原副边匝数比；t_on为开关管导通时间；T_s为开关管开关周期；D为开关管占空比。

升压放电模式

当带储能电感的双向全桥DC-DC变换器工作于升压放电模式时，变换器的主功率电路可以等效为Boost电路来进行控制。该等效控制方式下变换器的低压侧全桥电路中的4只开关管Q₅～Q₈将等效为Boost电路中的开关管S。当4只开关管Q₅～Q₈同时导通时，电感L储能，支撑电容C_o为激光器负载供电；当互为对角的两只开关管Q₅和Q₈或(Q₆和Q₇)同时导通时，储能装置C_f和电感L一同向高压侧激光器负载供电，同时实现变换器的升压功能。而变换器的高压侧全桥电路将变为不控整流，即开关管Q₁～Q₄不加驱动信号，只利用其反并联二极管VD₁～VD₄实现全桥不控整流输出。

变换器通过对低压侧等效Boost电路中4只开关管Q₅～Q₈的占空比进行控制，在变压器低压侧会得到一个交流方波电压u_CD，经过隔离变压器升压后，将在变压器高压侧得到一个幅值为低压侧K倍的交流方波电压u_AB，然后通过高压侧不控整流电路输出，最后经输出滤波电容C_o滤波得到直流输出电压，即就是激光器负载的端电压U_o。

变换器在升压放电模式下的输入输出电压传输比为：

式中，U_o为激光器负载端电压；U_c为储能装置端电压；K为变压器原副边匝数比；t_on为开关管导通时间；T_s为开关管开关周期；D为开关管占空比。

以下结合附图1～5，详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

附图1描述了带储能电感的双向全桥DC-DC变换器的主功率电路拓扑图。图中变压器两侧功率开关电路均为全桥型结构，其中Q₁～Q₄及其反并联二极管组成高压侧电压源型全桥电路，Q₅～Q₈及其反并联二极管组成低压侧电流源型全桥电路。通过控制变压器两侧全桥功率变换单元即可实现变换器的能量双向流动。U_i为变换器的输入电源；S₁为输入电源的投切开关，当其闭合时变换器将工作于降压充电模式，当其断开时变换器将工作于升压放电模式；R为激光器负载的等效电阻，其端电压用U_o表示，S₂为激光器负载的投切开关，当其闭合时变换器将工作于升压放电模式，当其断开时变换器将工作于降压充电模式；C_o为输入电源和激光器端的支撑电容；T为高频隔离变压器，其原副边匝比为K:1；储能电感L是本发明中所述变换器与传统双向全桥DC-DC变换器的不同之处，其在变换器降压充电模式中是输出滤波电感，而在变换器升压放电模式中则为升压储能电感，由于储能装置的端电压相对于激光器负载的端电压较低，而且变换器的升压范围有限，因此其作用是用于提高变换器在升压放电模式下的升压范围；C_f为变换器中的储能装置，其端电压用U_c表示。

变换器工作于降压充电模式时，将机载270V高压直流电能通过降压变换电路存储于储能装置中，当储能装置充电完成后其端电压应达到140V；而当变换器接收到放电指令后则进入升压放电模式，此时变换器通过升压变换电路将储能装置中存储的能量释放给激光器负载，此时激光器的端电压为500V。

附图2描述了降压充电模式下变换器的主功率电路等效拓扑图。其中，当附图1中的输入电源投切开关S₁闭合，激光器负载投切开关S₂断开时，带储能电感的双向全桥DC-DC变换器将工作于降压充电模式。此时，变换器的主功率电路可以等效为隔离型全桥电路来进行控制。变换器通过对高压侧逆变电路中4只开关管Q₁～Q₄的占空比进行控制，在变压器高压侧会得到一个交流方波电压u_AB，经过隔离变压器降压后，将在变压器低压侧得到一个幅值为高压侧1/K倍的交流方波电压u_CD，然后通过低压侧不控整流电路输出，最后经滤波电感L滤波得到直流输出电压，即就是储能装置的端电压U_c。

附图3描述了降压充电模式下变换器的主要工作波形图。假设变换器的主功率电路等效为全桥电路时，工作于电流连续模式，则其在一个开关周期内经历了4个开关状态(t₀～t₁；t₁～t₂；t₂～t₃；t₃～t₄)。其中，前两条曲线为开关管Q₁～Q₄的开关波形；第3、4条曲线为二极管VD₅～VD₈的开关波形；第5、8条曲线为变压器T高压侧的电压、电流波形；第6、7条曲线为滤波电感L的电压、电流波形。

附图4描述了升压放电模式下变换器的主功率电路等效拓扑图。其中，当附图1中的输入电源投切开关S₁断开，激光器负载投切开关S₂闭合时，带储能电感的双向全桥DC-DC变换器将工作于升压放电模式。此时，变换器的主功率电路可以等效为Boost电路来进行控制。变换器通过对低压侧等效Boost电路中4只开关管Q₅～Q₈的占空比进行控制，在变压器低压侧会得到一个交流方波电压u_CD，经过隔离变压器升压后，将在变压器高压侧得到一个幅值为低压侧K倍的交流方波电压u_AB，然后通过高压侧不控整流电路输出，最后经输出滤波电容C_o滤波得到直流输出电压，即就是激光器负载的端电压U_o。

附图5描述了升压放电模式下变换器的主要工作波形图。假设变换器的主功率电路等效为Boost电路时，工作于电流连续模式，则其在一个开关周期内经历了4个开关状态(t₀～t₁；t₁～t₂；t₂～t₃；t₃～t₄)。其中，前两条曲线为开关管Q₅～Q₈的开关波形；第3、4条曲线为二极管VD₁～VD₂的开关波形；第5、8条曲线为变压器T高压侧的电压、电流波形；第6、7条曲线为储能电感L的电压、电流波形。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种带储能电感的双向全桥DC-DC变换器，包括两个桥式功率变换单元、高频隔离变压器和支撑电容，两个桥式功率变换单元分别处于高频隔离变压器的高压侧和低压侧；支撑电容并联于输入电源和负载端；在输入电源和负载端上分别采用投切开关进行控制；每个桥式功率变换单元中均具有4个开关单元，每个开关单元由开关管、反并联二极管及并联电容组成；

其特征在于：所述双向全桥DC-DC变换器还包括储能电感；所述储能电感串联于低压侧桥式功率变换单元的直流母线上；所述储能电感在变换器降压充电模式中起输出滤波电感作用，在变换器升压放电模式中作为变换器的升压储能电感，提高变换器在升压放电模式下的升压范围。

2.根据权利要求1所述一种带储能电感的双向全桥DC-DC变换器的的等效控制方法，其特征在于：

当双向全桥DC-DC变换器工作于降压充电模式时，变换器的主功率电路等效为隔离型全桥电路来进行控制，其中高压侧全桥电路变为可控逆变，互为对角的两只开关管同时导通，而同一侧半桥的上下两只开关管交替导通并留有一定的死区时间，将输入直流电压逆变成幅值为U_i的交流电压，施加在变压器的高压侧；变换器的低压侧全桥电路变为不控整流，4只开关管不加驱动信号，只利用其反并联二极管实现全桥不控整流输出；

当双向全桥DC-DC变换器工作于升压放电模式时，变换器的主功率电路等效为Boost电路来进行控制，其中低压侧全桥电路中的4只开关管同时导通时，储能电感储能，支撑电容为负载供电，当互为对角的两只开关管同时导通时，储能装置和储能电感一同向高压侧负载供电，同时实现变换器的升压功能；变换器的高压侧全桥电路变为不控整流，4只开关管不加驱动信号，只利用其反并联二极管实现全桥不控整流输出。