CN110739858B - 一种应用辅助绕组调节功率电感的双向dc/dc装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置。整套装置由双向DC/DC功率单元和电感调节控制单元组成，正常工作时，电感磁芯工作在临界饱和区间，电流增大时，短暂工作在饱和区间，功率电感值减小，瞬态响应增强，通过实时监测功率电感电流的变化来控制电流调节电路中电力电子开关的通断进而调节功率电感辅助绕组电流的大小和方向，使电感磁芯再一次工作在临界饱和区间，减少了功率电感体积。具有电流纹波小、瞬态响应强、集成度高、体积小、便于携带、实用性强等特点。

Description

一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置。
背景技术
双向DC/DC装置可以实现两象限运行，使能量双向流动，广泛应用于新能源发电、微电网、混合动力机械设备等各类要求稳定电网电压及能量回收的场合。在直流母线出现电压或能量波动时，需要用到双向DC/DC装置对波动电压进行平抑或对突变能量实现快速吸收和释放。
在许多电子设备中，双向DC/DC装置中的功率电感组件是影响其整体尺寸和重量的主要因素之一，其尺寸大小取决于流经它的最大电流和最大允许电流纹波，传统的双向DC/DC装置当工作在大功率大电流时，为了使功率电感电流纹波减小，电感值通常取较大值，造成所设计的双向DC/DC装置体积较大，瞬态响应降低。同时，当双向DC/DC装置工作在重载时，会引起功率电感电流过大促使电感磁芯长期工作在饱和区，进而使得电感值减小，负载侧电流纹波增大，长期工作会对设备造成一定的冲击，不利于设备的稳定运行，严重时可能会烧坏设备。
发明内容
本发明一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置，其目的在于解决传统双向DC/DC装置大功率、低纹波要求下体积大、瞬态响应差的弊端，公开一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置。
本发明设计一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置，包括：双向DC/DC功率单元和电感调节控制单元；其中，所述双向DC/DC功率单元，包括高压侧滤波器、开关电路、功率电感、低压侧滤波器、超级电容模组和电感磁芯，其中，所述高压侧滤波器输入端分别与高压侧直流电压正和高压侧直流电压负相连，高压侧滤波器输出端与开关电路相连，开关电路的第一输出端A1经第一电流传感器、功率电感与低压侧滤波器的第一输入端C1相连，开关电路的第二输出端A2与低压侧滤波器的第二输入端C2相连，低压侧滤波器的输出端经低压侧直流电压正和低压侧直流电压负与超级电容模组相连；
所述电感调节控制单元，包括功率电感辅助绕组、第一电流传感器、第二电流传感器、辅助绕组参考电流计算器、电感磁芯磁化曲线输入器、电流比较器、调节器、饱和限制器、锯齿波生成电路、PWM信号生成器、判别电路、第一与门控制器、第二与门控制器、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路、电流调节电路、电感磁芯和磁通计；所述功率电感辅助绕组的一端与电流调节电路的M点相连，另一端经第二电流传感器与电流调节电路的N点相连；功率电感和功率电感辅助绕组共同绕制于同一电感磁芯上，磁通计套置于电感磁芯上，第一电流传感器、电感磁芯磁化曲线输入器及磁通计均连接至辅助绕组参考电流计算器；第二电流传感器和辅助绕组参考电流计算器的输出均连接至电流比较器，电流比较器、调节器、饱和限制器、PWM信号生成器顺次相连，且锯齿波生成电路连接PWM信号生成器，判别电路的输入端连接第一电流传感器，判别电路的输出端B1和B2分别连接第一与门控制器和第二与门控制器的输入端，PWM信号生成器的输出端连接第一与门控制器和第二与门控制器的输入端；第一与门控制器的输出端连接第一驱动电路和第二驱动电路的输入端，第二与门控制器的输出端连接第三驱动电路和第四驱动电路的输入端，第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路的输出端输入电流调节电路；通过第一电流传感器和磁通计分别实时检测功率电感的电流和电感磁芯的磁通，并输出给辅助绕组参考电流计算器，辅助绕组参考电流计算器结合第一电流传感器和磁通计的输出以及电感磁芯磁化曲线输入器给定的磁化曲线计算出辅助绕组参考电流并输出给电流比较器，第二电流传感器实时检测功率电感辅助绕组电流输送给电流比较器，并与辅助绕组参考电流计算器输送的辅助绕组参考电流进行偏差计算，电流比较器的输出信号经调节器、饱和限制器输送给PWM信号生成器，PWM信号生成器结合锯齿波生成电路生成PWM控制信号；所述判别电路通过第一电流传感器检测的功率电感的电流来判别双向DC/DC功率单元工作状态，当双向DC/DC功率单元工作在升压模式，判别电路的B1端输出高电平信号，B2端输出低电平信号，B1端输出的高电平信号和PWM信号生成器输出的PWM控制信号经第一与门控制器后同时输送给第一驱动电路和第二驱动电路，第一驱动电路和第二驱动电路输出PWM驱动信号，分别驱动电流调节电路中电力电子开关V1和V2的开通和关断，从而调节流入功率电感辅助绕组的电流的大小；当双向DC/DC功率单元工作在降压模式，判别电路的B2端输出高电平信号，B1端输出低电平信号，B2端输出的高电平信号和PWM信号生成器输出的PWM控制信号经第二与门控制器后同时输送给第三驱动电路和第四驱动电路，第三驱动电路和第四驱动电路输出PWM驱动信号，分别驱动电流调节电路中电力电子开关V3和V4的开通和关断，从而调节流出功率电感辅助绕组的电流的大小。
区别于现有技术，本发明一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置的优点在于：通过实时检测功率电感电流来调节功率电感辅助绕组电流的大小和方向，使得正常情况下电感磁芯工作在临界饱和状态，从而缩小功率电感相同电流下体积，提高双向DC/DC装置的便携性和集成性；在负载突增时，电感磁芯短暂工作在饱和区间，使功率电感减小，增强瞬态响应，通过调节功率电感辅助绕组电流的大小和方向，使电感磁芯重新工作在临界饱和区间。具有电流纹波小、瞬态响应强、集成度高、体积小、便于携带、实用性强等特点。
附图说明
图1是本发明提供的一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置示意图。
图2是本发明提供的一种应用辅助绕组调节功率电感的结构示意图。
图中：1.高压侧直流电压正 2.高压侧直流电压负 3.高压侧滤波器 4.开关电路5.功率电感 6.功率电感辅助绕组 7.低压侧滤波器 8.低压侧直流电压正 9.低压侧直流电压负 10.超级电容模组 11.第一电流传感器12.第二电流传感器 13.辅助绕组参考电流计算器 14.电感磁芯磁化曲线输入器 15.电流比较器 16.调节器 17.饱和限制器18.锯齿波生成电路 19.PWM信号生成器 20.判别电路 21.第一与门控制器 22.第二与门控制器23.第一驱动电路 24.第二驱动电路 25.第三驱动电路 26.第四驱动电路27.电流调节电路 28.电感磁芯 29.磁通计。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1是本发明提供的一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置示意图。该装置包括：双向DC/DC功率单元和电感调节控制单元，其中双向DC/DC功率单元包括高压侧滤波器3、开关电路4、功率电感5、低压侧滤波器7、超级电容模组10和电感磁芯28；电感调节控制单元包括功率电感辅助绕组6、第一电流传感器11、第二电流传感器12、辅助绕组参考电流计算器13、电感磁芯磁化曲线输入器14、电流比较器15、调节器16、饱和限制器17、锯齿波生成电路18、 PWM信号生成器19、判别电路20、第一与门控制器21、第二与门控制器22、第一驱动电路 23、第二驱动电路24、第三驱动电路25、第四驱动电路26、电流调节电路27、磁通计29；其中，高压侧滤波器3的输入端分别与高压侧直流电压正1和高压侧直流电压负2相连，高压侧滤波器3的输出与开关电路4相连，开关电路4的第一输出端A1经第一电流传感器11和功率电感5与低压侧滤波器7的第一输入端C1相连，开关电路4的第二输出端A2与低压侧滤波器7的第二输入端C2相连，低压侧滤波器7的输出端经低压侧直流电压正8和低压侧直流电压负9与超级电容模组10相连；其中，高压侧直流电压正1和高压侧直流电压负2表示高压侧滤波器3的输入端输入直流电压，分别通过导线1和导线2连接至直流电压的正极和负极；同理，低压侧直流电压正8和低压侧直流电压负9表示低压侧滤波器7的输出端分别通过导线8和导线9连接到直流电压的正极和负极。参阅图2，将功率电感5和功率电感辅助绕组6共同绕制于同一电感磁芯28，假定功率电感5电流I 1和功率电感辅助绕组6电流I 2的正方向如图1和图2中所示；所述功率电感辅助绕组6的一端与电流调节电路27的M点相连，另一端经第二电流传感器12与电流调节电路27的N点相连；所述第一电流传感器11和磁通计29分别实时检测功率电感5电流I 1和电感磁芯净磁通并输出给辅助绕组参考电流计算器13，辅助绕组参考电流计算器13结合第一电流传感器11和磁通计29的输出以及电感磁芯磁化曲线输入器14给定的磁化曲线计算出辅助绕组参考电流并输出给电流比较器15，所述第二电流传感器12实时检测功率电感辅助绕组6电流I 2并输送给电流比较器15，电流比较器15对功率电感辅助绕组6的实际电流I 2与功率电感辅助绕组6的参考电流值进行偏差计算，电流比较器15的输出信号经调节器16、饱和限制器17输送给PWM信号生成器19，PWM信号生成器19结合锯齿波生成电路18生成PWM控制信号；所述判别电路20通过接收第一电流传感器11检测的功率电感5的电流来判别双向DC/DC功率单元工作状态，同时通过控制所述电流调节电路27中电力电子开关的通断来控制流过功率电感辅助绕组6的电流大小和方向，从而使电感磁芯28工作在临界饱和状态。具体如下：
当双向DC/DC功率单元工作在升压模式时，第一电流传感器11检测到功率电感5电流I 1为负，即其实际方向与图1和图2中所标的功率电感5的电流方向相反，电感磁芯磁化曲线输入器14根据电感磁芯28的磁化曲线拟合出磁化曲线表达式输送给辅助绕组参考电流计算器13，辅助绕组参考电流计算器13根据磁通计29测得的电感磁芯28净磁通和磁化曲线的表达式得到此时磁化曲线对应的磁场强度H，结合第一电流传感器11检测到的功率电感5电流，可得功率电感辅助绕组6的电流参考值：I 2R=(N 1 I 1–Hl e)/N 2, 其中，为电感磁芯28内周长，N 1为功率电感5绕组线圈匝数，N 2为功率电感辅助绕组6绕组线圈匝数， I 1为第一电流传感器11检测到功率电感5的电流， I 2R为功率电感辅助绕组6的电流参考值，将功率电感辅助绕组参考电流I 2R输出给电流比较器15，与第二电流传感器12采集到的功率电感辅助绕组6电流I 2进行偏差计算，电流比较器15的输出信号经调节器16、饱和限制器17输送给PWM信号生成器19，PWM信号生成器19结合锯齿波生成电路18生成PWM控制信号，此时判别电路的B1端输出高电平信号，B2端输出低电平信号，B1端输出的高电平信号和PWM信号生成器19输出的PWM控制信号经第一与门控制器21后同时输送给第一驱动电路23和第二驱动电路24，第一驱动电路23和第二驱动电路24输出的PWM驱动信号分别驱动电流调节电路27中电力电子开关V1和V2的接通和关断来调节流入功率电感辅助绕组6中电流的大小，此时功率电感辅助绕组6中电流的实际方向与图1和图2中所标的功率电感辅助绕组6的电流方向相同，即功率电感辅助绕组6电流产生的磁通与功率电感5电流产生的磁通方向相反，并且通过调节后的功率电感辅助绕组6中电流的大小能够使电感磁芯28工作在临界饱和状态；负载突增时，功率电感5电流数值增大，电感磁芯28短暂进入饱和区间，功率电感5电感值减小，双向DC/DC功率单元瞬态响应加快，功率电感5电流稳定后，辅助绕组参考电流计算器13再一次结合第一电流传感器11和电感磁芯磁化曲线输入器14的输出信号计算出此时辅助绕组参考电流并最终由第一驱动电路23和第二驱动电路24输出的PWM驱动信号分别驱动电流调节电路27中电力电子开关V1和V2的接通和关断来使流入功率电感辅助绕组6中电流的增大，从而使电感磁芯28从饱和区再一次回到临界饱和状态工作。
当双向DC/DC功率单元工作在降压模式时，第一电流传感器11检测到功率电感5电流I 1为正，即其实际方向与图1和图2中所标的功率电感5的电流方向相同，电感磁芯磁化曲线输入器14根据电感磁芯28的磁化曲线拟合出磁化曲线表达式输送给辅助绕组参考电流计算器13，辅助绕组参考电流计算器13根据磁通计29测得的电感磁芯28净磁通和磁化曲线的表达式得到此时磁化曲线对应的磁场强度H，结合第一电流传感器11检测到的功率电感5电流，可得功率电感辅助绕组6的电流参考值：I 2R=(N 1 I 1–Hl e)/N 2,将功率电感辅助绕组参考电流I 2R输出给电流比较器15，与第二电流传感器12采集到的功率电感辅助绕组6电流I 2进行偏差计算，电流比较器15的输出信号经调节器16、饱和限制器17输送给PWM信号生成器19，PWM信号生成器19结合锯齿波生成电路18生成PWM控制信号，此时判别电路的B2端输出高电平信号，B1端输出低电平信号，B2端输出的高电平信号和PWM信号生成器19输出的PWM控制信号经第二与门控制器22后同时输送给第三驱动电路25和第四驱动电路26，第三驱动电路25和第四驱动电路26输出的PWM驱动信号分别驱动电流调节电路27中电力电子开关V3和V4的接通和关断来调节流出功率电感辅助绕组6中电流的大小，此时功率电感辅助绕组6中电流的实际方向与图1和图2中所标的功率电感辅助绕组6的电流方向相反，即功率电感辅助绕组6电流产生的磁通与功率电感5电流产生的磁通方向相反，并且通过调节后的功率电感辅助绕组6中电流的大小能够使电感磁芯28工作在临界饱和状态；负载突增时，功率电感5电流数值增大，电感磁芯28短暂进入饱和区间，功率电感5电感值减小，双向DC/DC功率单元瞬态响应加快，功率电感5电流稳定后，辅助绕组参考电流计算器13再一次结合第一电流传感器11和电感磁芯磁化曲线输入器14的输出信号计算出此时辅助绕组参考电流并最终由第一驱动电路23和第二驱动电路24输出的PWM驱动信号分别驱动电流调节电路27中电力电子开关V3和V4的接通和关断来使流出功率电感辅助绕组6中的电流增大，从而使电感磁芯28从饱和区再一次回到临界饱和状态工作。
本发明通过在电感磁芯上增加一个功率电感辅助绕组，对比传统功率电感，在体积和电感磁芯相同的情况下，通过调节功率电感辅助绕组的电流大小和方向进而改变电感磁芯的净磁通量，使流经功率电感而不致电感磁芯完全饱和条件下的电流最大值更大，因此在设备所需功率下设计出的电感体积更小，有利于设备的小型化。
图2是本发明提供的一种应用辅助绕组调节功率电感的结构示意图，仅仅是辅助绕组调节功率电感的一种实现方式，在实际应用中，结合实际工作情况，也可以采用不同形状的多个功率电感串联来实现电感磁芯工作点的自适应定位，此种情况也在本发明的专利保护范围内。
功率电感绕组和功率电感辅助绕组共同绕制于同一电感磁芯，通过控制电流调节电路中电力电子开关的通断来控制功率电感辅助绕组电流的大小和方向，用于在功率电感电流发生突增时，使其工作点从临界饱和区间短暂进入饱和区间，降低电感值，提高负载瞬态响应，瞬态响应完成后，通过调节辅助绕组电流再一次使电感磁芯工作在临界饱和区间，增大电感值，降低功率电感电流纹波。
本发明相比现有技术具有的有益效果是：本发明一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置，可根据实时检测的功率电感电流来调节功率电感辅助绕组电流的大小和方向，使得正常情况下电感磁芯工作在临界饱和状态，从而缩小功率电感相同电流下体积，提高双向DC/DC装置的便携性和集成性；在负载突增时，电感磁芯短暂工作在饱和区间，使功率电感减小，增强瞬态响应，通过调节功率电感辅助绕组电流的大小和方向，使电感磁芯重新工作在临界饱和区间。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种应用辅助绕组调节功率电感的双向DC/DC装置，包括：双向DC/DC功率单元和电感调节控制单元；
其中，所述双向DC/DC功率单元，包括高压侧滤波器（3）、开关电路（4）、功率电感（5）、低压侧滤波器（7）、超级电容模组（10）和电感磁芯（28），其中，所述高压侧滤波器（3）输入端分别与高压侧直流电压正（1）和高压侧直流电压负（2）相连，高压侧滤波器（3）输出端与开关电路（4）相连，开关电路（4）的第一输出端A1经第一电流传感器（11）、功率电感（5）与低压侧滤波器（7）的第一输入端C1相连，开关电路（4）的第二输出端A2与低压侧滤波器（7）的第二输入端C2相连，低压侧滤波器（7）的输出端经低压侧直流电压正（8）和低压侧直流电压负（9）与超级电容模组（10）相连；
所述电感调节控制单元，包括功率电感辅助绕组（6）、第一电流传感器（11）、第二电流传感器（12）、辅助绕组参考电流计算器（13）、电感磁芯磁化曲线输入器（14）、电流比较器（15）、调节器（16）、饱和限制器（17）、锯齿波生成电路（18）、PWM信号生成器（19）、判别电路（20）、第一与门控制器（21）、第二与门控制器（22）、第一驱动电路（23）、第二驱动电路（24）、第三驱动电路（25）、第四驱动电路（26）、电流调节电路（27）、电感磁芯（28）和磁通计（29）；所述功率电感辅助绕组（6）的一端与电流调节电路（27）的M点相连，另一端经第二电流传感器（12）与电流调节电路（27）的N点相连；功率电感（5）和功率电感辅助绕组（6）共同绕制于同一电感磁芯（28）上，磁通计（29）套置于电感磁芯（28）上，第一电流传感器（11）、电感磁芯磁化曲线输入器（14）及磁通计（29）均连接至辅助绕组参考电流计算器（13）；第二电流传感器（12）和辅助绕组参考电流计算器（13）的输出均连接至电流比较器（15），电流比较器（15）、调节器（16）、饱和限制器（17）、PWM信号生成器（19）顺次相连，且锯齿波生成电路（18）连接PWM信号生成器（19），判别电路（20）的输入端连接第一电流传感器（11），判别电路（20）的输出端B1和B2分别连接第一与门控制器（21）和第二与门控制器（22）的输入端，PWM信号生成器（19）的输出端连接第一与门控制器（21）和第二与门控制器（22）的输入端；第一与门控制器（21）的输出端连接第一驱动电路（23）和第二驱动电路（24）的输入端，第二与门控制器（22）的输出端连接第三驱动电路（25）和第四驱动电路（26）的输入端，第一驱动电路（23）、第二驱动电路（24）、第三驱动电路（25）、第四驱动电路（26）的输出端输入电流调节电路（27）；通过第一电流传感器（11）和磁通计（29）分别实时检测功率电感（5）的电流和电感磁芯（28）的磁通，并输出给辅助绕组参考电流计算器（13），辅助绕组参考电流计算器（13）结合第一电流传感器（11）和磁通计（29）的输出以及电感磁芯磁化曲线输入器（14）给定的磁化曲线计算出辅助绕组参考电流并输出给电流比较器（15），第二电流传感器（12）实时检测功率电感辅助绕组（6）电流输送给电流比较器（15），并与辅助绕组参考电流计算器（13）输送的辅助绕组参考电流进行偏差计算，电流比较器（15）的输出信号经调节器（16）、饱和限制器（17）输送给PWM信号生成器（19），PWM信号生成器（19）结合锯齿波生成电路（18）生成PWM控制信号；所述判别电路（20）通过第一电流传感器（11）检测的功率电感（5）的电流来判别双向DC/DC功率单元工作状态，当双向DC/DC功率单元工作在升压模式，判别电路（20）的B1端输出高电平信号，B2端输出低电平信号，B1端输出的高电平信号和PWM信号生成器（19）输出的PWM控制信号经第一与门控制器（21）后同时输送给第一驱动电路（23）和第二驱动电路（24），第一驱动电路（23）和第二驱动电路（24）输出PWM驱动信号，分别驱动电流调节电路（27）中电力电子开关V1和V2的开通和关断，从而调节流入功率电感辅助绕组（6）的电流的大小；当双向DC/DC功率单元工作在降压模式，判别电路（20）的B2端输出高电平信号，B1端输出低电平信号，B2端输出的高电平信号和PWM信号生成器（19）输出的PWM控制信号经第二与门控制器（22）后同时输送给第三驱动电路（25）和第四驱动电路（26），第三驱动电路（25）和第四驱动电路（26）输出PWM驱动信号，分别驱动电流调节电路（27）中电力电子开关V3和V4的开通和关断，从而调节流出功率电感辅助绕组（6）的电流的大小。
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