CN111211693A - 软开关双向直流变换器的控制方法 - Google Patents

软开关双向直流变换器的控制方法 Download PDF

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李睿
韩啸
张胜发
李锡光
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Abstract

本发明涉及一种软开关双向直流变换器的控制方法及控制电路，其中输入半桥、输出半桥及连接在所述输入半桥和所述输出半桥之间的电感；所述方法包括：获取一假定电感值；根据所述假定电感值以及所述软开关双向直流变换器的特定参数，确定关于所述预设移相角对应占空比的方程；根据所述方程的解调整所述假定电感值，并根据调整后的假定电感值更新所述方程，直至所述方程的解在预设范围内；当所述方程的解在预设范围内时，根据当前的假定电感值设定所述电感的电感值。本发明可实现在软开关基础上获得最高的能量变换效率，并减小电感值，实现更小的磁原件的体积，提高功率密度，具有低损耗，低成本，高开关频率，高功率密度的优点。

Description

软开关双向直流变换器的控制方法
技术领域
本发明涉及电气自动化技术领域，特别是涉及一种软开关双向直流变换器的控制方法。
背景技术
随着能源危机日益加剧，对更高效率，更高功率密度，且宽输入输出范围的直流电源的需求越来越大。在小电流高频场合中，开关管开通和关断损耗构成了电路损耗的绝大部分，减小这部分损耗对进一步提高开关频率，提高功率密度具有重要意义。
传统的变换器控制方法中开关管属于硬开通，在开通过程中电压电流均不为零，会产生电磁干扰和开通损耗，不适合用在高频、高效率、高功率密度的场合。
目前，现有的技术中已经有了关于四开关升压-降压(Buck-Boost)变换器的软开关调制策略，但并没有给出其基于效率最优化的用于控制系统的具体控制方法。
发明内容
基于此，有必要提供一种软开关双向直流变换器的控制方法，能够以最优的效率控制软开关双向直流变换器，提升系统运行时的稳定性和可靠性。
本发明一方面提供一种软开关双向直流变换器的控制方法，所述软开关双向直流变换器包括输入半桥、输出半桥及连接在所述输入半桥和所述输出半桥之间的电感；所述方法包括：获取一假定电感值；根据所述假定电感值以及所述软开关双向直流变换器的特定参数，确定关于所述预设移相角对应占空比的方程，所述预设移相角为所述输入半桥的触发脉冲超前于所述输出半桥的触发脉冲的移相角；根据所述方程的解调整所述假定电感值，并根据调整后的假定电感值更新所述方程，直至所述方程的解在预设范围内；当所述方程的解在预设范围内时，根据当前的假定电感值设定所述电感的电感值。
在一个实施例中，所述根据所述假定电感值以及所述软开关双向直流变换器的特定参数，确定关于所述预设移相角对应占空比的方程，包括：根据所述假定电感值以及所述软开关双向直流变换器的特定参数，计算所述假定电感值对应的电感电流值；根据所述电感电流值、所述软开关双向直流变换器的特定参数以及所述电感值与所述软开关双向直流变换器的预设移相角对应占空比之间的关系，获得关于所述预设移相角对应占空比的方程。
在一个实施例中，所述特定参数包括所述软开关双向直流变换器的裕量、升压比、降压比、最大输入电压、最大功率、工作周期、各桥臂的寄生电容、至少一个桥臂的最大占空比中的至少一种。
在一个实施例中，所述方程为一元二次方程。
在一个实施例中，在根据所述方程的解调整所述假定电感值之前，所述方法还包括：判断所述方程是否有解；若所述方程无解，则调整所述假定电感值直至所述方程有解。
在一个实施例中，所述调整所述假定电感值直至所述方程有解，具体为：减小所述假定电感值并根据减小后的假定电感值判断所述方程是否有解，直至判断结果为所述方程有解。
在一个实施例中，所述根据所述方程的解调整所述假定电感值，包括：
若所述方程有解，则根据所述方程的解调整所述假定电感值。
在一个实施例中，所述根据所述方程的解调整所述假定电感值，包括：
当所述方程的解大于所述预设范围的上限值时，减小所述假定电感值；
当所述方程的解小于所述预设范围的下限值时，增大所述假定电感值。
在一个实施例中，所述方程的解为所述预设移相角对应占空比的理论值。
在一个实施例中，所述方法还包括：根据所述方程的解调整所述预设移相角的占空比。
本发明本发明通过根据假定电感值求解关于预设移相角和电感电流的方程，并调整假定电感值的大小直至方程的解满足要求，进而确认出满足效率最优化要求的最小电感值，实现在软开关基础上获得最高的能量变换效率，并减小电感值，实现更小的磁原件的体积，提高功率密度。由于本申请可以采用较小的电感，因此具有低损耗，低成本，高开关频率，高功率密度的优点。
附图说明
图1为本发明一实施例的软开关双向直流变换器的电路结构示意图；
图2为本发明一实施例的软开关双向直流变换器的控制方法的流程示意图；
图3为本发明另一实施例的软开关双向直流变换器的控制方法的流程示意图；
图4为本发明又一实施例的软开关双向直流变换器的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，本发明提供一种软开关双向直流变换器的控制方法，可应用于调节如图1所示的软开关双向直流变换器10。其中，该软开关双向直流变换器10包括输入半桥110、输出半桥120和电感L，其中电感L连接在输入半桥110与输出半桥120之间。具体地，输入半桥110包括第一输入桥臂111和第二输入桥臂112，输出半桥120包括第一输出桥臂121和第二输出桥臂122。具体地，电感L的一端连接第一输入桥臂111与第一输入桥臂112的连接节点，电感L的另一端连接第一输出桥臂121与第二输出桥臂122的连接节点。其中，输入半桥与输出半桥共地，即，输入半桥的接地点与输出半桥的接地点相连。
可选地，上述四个桥臂分别由至少一个开关管组成，该开关管可包括但不限于MOS管、场效应晶体管、三极管等中的至少一种。其中，第一输入桥臂111中的开关管与第一输入桥臂112中的开关管互补导通，第一输出桥臂的开关管S与第二输出桥臂的开关管互补导通。
可选地，如图1所示，软开关双向直流变换器10还包括输入电容C1和输出电容C2，其中，输入电容C1与输入半桥110并联，输出电容C2与输出半桥120并联。
在一个实施例中，以该软开关双向直流变换器10中第一输入桥臂111包括开关管S1、第一输入桥臂112包括开关管S2、第一输出桥臂121包括开关管S3、第二输出桥臂122包括开关管S4为例，此时，如图2所示，本发明提供的一种应用于该软开关双向直流变换器10的控制方法可包括以下步骤：
S210，获取一假定电感值。
可选地，可随机获取一电感值，或者从预设的多个电感值中选取一个作为假定电感值。
S220，根据所述假定电感值以及所述软开关双向直流变换器的特定参数，确定关于所述预设移相角对应占空比的方程，其中，所述预设移相角为输入半桥的触发脉冲超前于输出半桥的触发脉冲的移相角，即，第一输入桥臂的触发脉冲超前于第一输出桥臂的触发脉冲的移相角。
具体地，所述软开关双向直流变换器的特定参数包括其裕量、升压比、降压比、最大输入电压、最大功率、工作周期、各桥臂的寄生电容、至少一个桥臂的最大占空比等至少一种。可根据电感L的电感值和预设移相角对应占空比与上述各特定参数之间的关系，得到关于该预设移相角对应占空比的方程，在该方程中，将该假定电感值假设为电感L的电感值。
具体地，该方程为一元二次方程。
S230，根据所述方程的解调整所述假定电感值，并根据调整后的假定电感值更新所述方程，直至所述方程的解在预设范围内。
其中，调整该假定电感值可以是增大该假定电感值或减小该假定电感值。
根据该方程的解调整该假定电感值，可以包括以下至少一种情形：
根据该方程是否有解，增大该假定电感值或减小该假定电感值；
根据该方程的解是否在预设范围内，增大该假定电感值或减小该假定电感值。
S240，当所述方程的解在预设范围内时，根据当前的假定电感值设定所述电感的电感值。
通常，为了使软开关双向直流变换器能够零电压开通，电感电流的最低点-I0必须小于0，此时电感值L的数量级可以成倍的减小。本发明通过根据假定电感值求解关于预设移相角和电感电流的方程，并调整假定电感值的大小直至方程的解满足要求，进而确认出满足效率最优化要求的最小电感值，实现在软开关基础上获得最高的能量变换效率，并减小电感值，实现更小的磁原件的体积，提高功率密度。由于本申请可以采用较小的电感，因此具有低损耗，低成本，高开关频率，高功率密度的优点。
在一个实施例中，如图3所示，步骤S220包括：
S221，根据所述假定电感值以及所述软开关双向直流变换器的特定参数，计算所述假定电感值对应的电感电流值。
其中，所述软开关双向直流变换器的特定参数包括：软开关双向直流变换器的第一裕量N1、开关管S1～S4的寄生电容Coss和该软开关双向直流变换器的最大输入电压V1max。具体地，将该假定电感值假设为电感L的电感值，则该假定电感值对应的电感电流值为
Figure BDA0002391219680000071
其中，I0为该电感电流值的最小值的绝对值，该电感电流值的最小值为-I0。
S222，根据所述电感电流值、所述软开关双向直流变换器的特定参数以及所述电感值与所述软开关双向直流变换器的预设移相角对应占空比之间的关系，获得关于所述预设移相角对应占空比的方程，其中，所述软开关双向直流变换器的特定参数还包括：软开关双向直流变换器的第二裕量N2、最大功率Pmax、降压模式最小调压比nmin、最大输入电压V1max、工作周期Tp、开关管S2触发脉冲的占空比的最大值D2max，则该假定电感值对应的电感电流值为：
Figure BDA0002391219680000081
其中，P＝N2Pmax，取n＝nmin、V1＝V1max、D2＝D2max、Dφ为预设移相角φ对应占空比。
在一个实施例中，如图4所示，在步骤S230之前，所述方法还包括：
S223，判断所述方程是否有解；若判断结果为是则执行步骤S230，否则执行步骤S224。
S224，若所述方程无解，则调整所述假定电感值。
具体地，调整该假定电感值并重新执行步骤S223，直至所述方程有解。调整方式可包括：减小所述假定电感值，根据减小后的假定电感值判断所述方程是否有解，直至判断结果为所述方程有解。
具体地，执行步骤S224直至所述方程有解之后，可执行步骤S230。
在一个实施例中，所述方法还包括：若所述方程有解，则根据所述方程的解调整所述假定电感值，并更新所述方程，直至更新后的所述方程的解在预设范围内。具体地，当所述方程的解大于所述预设范围的上限值时，减小所述假定电感值；当所述方程的解小于所述预设范围的下限值时，增大所述假定电感值。
其中，所述预设范围的上限值为1-D2max，所述预设范围的下限值为
Figure BDA0002391219680000082
则该预设范围为
Figure BDA0002391219680000083
在一个实施例中，所述方程的解为所述预设移相角对应占空比的理论值。当所述方程的解在预设范围内时，所述方法还可包括：根据所述方程的解调整所述预设移相角的占空比。
具体地，当n＝V2/V1小于等于1时，电路工作在降压模式，在功率较小时，通过固定Dφ，改变D2来调节功率，并设置一个D2的最大值D2max，使D2达到D2max后，固定D2，只靠改变Dφ来调节功率；所述软开关控制方法当n＝V2/V1大于1时，电路工作在升压模式，在功率较小时，通过同时改变Dφ和D2来调节功率，并设置一个D1的最大值D1max，使D2达到D1max/n后，固定D2，只靠改变Dφ来调节功率。
其中，当软开关双向直流变换器的输出电压V2小于或等于输入电压V1(即n＝V2/V1≤1)时，该软开关双向直流变换器工作在降压模式。此时，根据第一输出桥臂121的输出电流与预设电流的差值，调节第一输出桥臂121的占空比，即调节开关管S3的占空比，使得开关管S1的触发脉冲的占空比与开关管S3的触发脉冲的占空比的比值n发生改变，而输出电流I2与输入电流I1的比值也等于n，从而起到调节输出电流的作用。
可选地，当软开关双向直流变换器的功率较小时，可增大开关管S3的占空比D2，直到开关管S3的占空比D2，达到预先设定的最大值D2max，即第一预设阈值。
当第一输出桥臂的占空比达到第一预设阈值时，调节预设移相角的占空比，预设移相角为第一输入桥臂的触发脉冲超前于第一输出桥臂的触发脉冲的移相角。将第一输入桥臂111的触发脉冲超前于第一输出桥臂121的触发脉冲的移相角记为预设移相角
Figure BDA0002391219680000091
当开关管S3的占空比D2，达到预先设定的最大值D2max时，即第一输出桥臂110的占空比达到第一预设阈值时，通过调节预设移相角
Figure BDA0002391219680000101
的占空比
Figure BDA0002391219680000102
可调节电路的输出功率的大小。其中，
Figure BDA0002391219680000103
在一个实施例中，在调节第一输出桥臂121的占空比时，控制预设移相角
Figure BDA0002391219680000104
的占空比维持不变；在调节预设移相角
Figure BDA0002391219680000105
的占空比时，控制第一输出桥臂121的占空比维持不变。本实施例中，在电路功率较小时，通过固定预设移相角
Figure BDA0002391219680000106
的占空比
Figure BDA0002391219680000107
改变第一输出桥臂121的占空比D2来调节功率，当第一输出桥臂121的占空比D2达到预设的最大值D2max后，固定D2，只靠改变预设移相角
Figure BDA0002391219680000108
的占空比
Figure BDA0002391219680000109
来调节功率。通过调节预设移相角
Figure BDA00023912196800001010
对应占空比
Figure BDA00023912196800001011
的正负，可调节电路能量流动的方向；当
Figure BDA00023912196800001012
大于0时，能量由输入端传到输出端，当
Figure BDA00023912196800001013
小于0时，能量由输出端传到输入端。由此，不仅可控制电路的功率，还可控制电路的能量流动方向，从而达到以最高的效率调节输出电流的目的，进一步保障系统的稳定可靠运行。
在一个实施例中，其中，当软开关双向直流变换器的输出电压V2大于输入电压V1(即n＝V2/V1>1)时，该软开关双向直流变换器工作在升压模式。此时，根据第一输出桥臂130的输出电压与预设电压的差值，调节第一输出桥臂130的占空比，即调节开关管S3的占空比，使得开关管S1的触发脉冲的占空比与开关管S3的触发脉冲的占空比的比值n发生改变，而输出电压V2与输入电压V1的比值也等于n，从而起到调节输出电压的作用。
可选地，当软开关双向直流变换器的功率较小时，可增大开关管S3的占空比D2，直到开关管S3的占空比D2达到预先设定的最大值D2max。将第一输入桥臂110的触发脉冲超前于第一输出桥臂130的触发脉冲的移相角记为预设移相角
Figure BDA0002391219680000111
当开关管S3的占空比D2达到预先设定的最大值D2max时，通过调节预设移相角
Figure BDA0002391219680000112
的占空比
Figure BDA0002391219680000113
可调节电路的输出功率的大小。其中，
Figure BDA0002391219680000114
本实施例中，通过调节第一输出桥臂121触发脉冲的占空比D2和第一输入桥臂111触发脉冲超前第一输出桥臂121触发脉冲的移相角
Figure BDA0002391219680000115
对应的占空比，来调节电路的输出功率的大小，从而达到以最高的效率调节输出电流的目的，保障系统的稳定可靠运行。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种软开关双向直流变换器的控制方法，其特征在于，所述软开关双向直流变换器包括输入半桥、输出半桥及连接在所述输入半桥和所述输出半桥之间的电感；所述方法包括：
获取一假定电感值；
根据所述假定电感值以及所述软开关双向直流变换器的特定参数，确定关于所述预设移相角对应占空比的方程，所述预设移相角为所述输入半桥的触发脉冲超前于所述输出半桥的触发脉冲的移相角；
根据所述方程的解调整所述假定电感值，并根据调整后的假定电感值更新所述方程，直至所述方程的解在预设范围内；
当所述方程的解在预设范围内时，根据当前的假定电感值设定所述电感的电感值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述假定电感值以及所述软开关双向直流变换器的特定参数，确定关于所述预设移相角对应占空比的方程，包括：
根据所述假定电感值以及所述软开关双向直流变换器的特定参数，计算所述假定电感值对应的电感电流值；
根据所述电感电流值、所述软开关双向直流变换器的特定参数以及所述电感值与所述软开关双向直流变换器的预设移相角对应占空比之间的关系，获得关于所述预设移相角对应占空比的方程。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特定参数包括所述软开关双向直流变换器的裕量、升压比、降压比、最大输入电压、最大功率、工作周期、各桥臂的寄生电容、至少一个桥臂的最大占空比中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方程为一元二次方程。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，在根据所述方程的解调整所述假定电感值之前，所述方法还包括：
判断所述方程是否有解；
若所述方程无解，则调整所述假定电感值直至所述方程有解。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调整所述假定电感值直至所述方程有解，具体为：减小所述假定电感值并根据减小后的假定电感值判断所述方程是否有解，直至判断结果为所述方程有解。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述方程的解调整所述假定电感值，包括：
若所述方程有解，则根据所述方程的解调整所述假定电感值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述方程的解调整所述假定电感值，包括：
当所述方程的解大于所述预设范围的上限值时，减小所述假定电感值；
当所述方程的解小于所述预设范围的下限值时，增大所述假定电感值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方程的解为所述预设移相角对应占空比的理论值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述方程的解调整所述预设移相角的占空比。
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王艺翰，等: "一种新颖的零电压开关全桥逆变器", 《电工电能新技术》 *

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