CN111245231B - 软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制方法及电路 - Google Patents

软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制方法及电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制方法及控制电路，其中软开关双向直流变换器包括第一输入桥臂、第二输入桥臂、第一输出桥臂及第二输出桥臂，该控制方法包括：当所述软开关双向直流变换器处于升压模式时，根据所述第一输出桥臂的输出电压与预设电压的差值，调节所述第一输出桥臂的占空比；当所述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，所述预设移相角为所述第一输入桥臂的触发脉冲超前于所述第一输出桥臂的触发脉冲的移相角。本发明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。

Description

软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制方法及电路
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升压模式恒电压控制方法及电路。
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-升压（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升压模式恒电压控制方法及电路，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升压模式恒电压控制方法，所述软开关双向直流变换器包括：第一输入桥臂、第二输入桥臂、第一输出桥臂及第二输出桥臂；所述方法包括：当所述软开关双向直流变换器处于升压模式时，根据所述第一输出桥臂的输出电压与预设电压的差值，调节所述第一输出桥臂的占空比；当所述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，所述预设移相角为所述第一输入桥臂的触发脉冲超前于所述第一输出桥臂的触发脉冲的移相角。
在其中一个实施例中，所述方法还包括，在调节所述第一输出桥臂的占空比时，控制所述预设移相角的占空比维持不变；在调节所述预设移相角的占空比时，控制所述第一输出桥臂的占空比维持不变。
在其中一个实施例中，所述根据所述第一输出桥臂的输出电压与预设电压的差值，调节所述第一输出桥臂的占空比，包括：采样所述第一输出桥臂的输出电压，并计算所述第一输出桥臂的输出电压与所述预设电压的差值；对所述差值进行比例积分调节处理，获得第一待处理信号；对所述第一待处理信号进行限幅处理，获得第一占空比信号；根据所述第一占空比信号控制所述第一输出桥臂的开关状态。
在其中一个实施例中，所述限幅处理用于限制所述第一占空比信号的上限不超过所述第一预设阈值。
在其中一个实施例中，所述调节预设移相角的占空比，包括：获取所述第一输入桥臂的触发脉冲的占空比与所述第一输出桥臂的触发脉冲的占空比之间的比值；根据所述比值对所述第一待处理信号进行乘法处理，获得第二待处理信号；根据所述比值及第二预设阈值对所述第二待处理信号进行叠加处理，获得第二占空比信号；根据所述第二占空比信号控制所述预设移相角的占空比。
在其中一个实施例中，所述根据所述比值对所述第一待处理信号进行乘法处理，具体为：将所述第一待处理信号乘以所述比值与预设数值的差值，获得第二待处理信号。
在其中一个实施例中，所述方法还包括，根据所述第一占空比信号以及所述比值调节所述所述第一输入桥臂的占空比。
本发明另一方面还提供一种软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制电路，该控制电路包括：第一占空比调节电路，用于连接软开关双向直流变换器的第一输出桥臂，并在所述当所述软开关双向直流变换器处于升压模式时，根据所述第一输出桥臂的输出电压与预设电压的差值，调节所述第一输出桥臂的占空比；第二占空比调节电路，用于连接所述软开关双向直流变换器的第一输出桥臂和第一输入桥臂，并当所述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，所述预设移相角为所述第一输入桥臂的触发脉冲超前于所述第一输出桥臂的触发脉冲的移相角。
在其中一个实施例中，所述第一占空比调节电路包括：比例积分调节器，连接所述第一输出桥臂，用于采样所述第一输出桥臂的输出电压，并将所述第一输出桥臂的输出电压与预设电压作为差分输入信号，对所述差分输入信号进行比例积分调节处理，获得第一待处理信号；限幅电路，连接所述比例积分调节器和所述第一输出桥臂，用于对所述第一待处理信号进行限幅处理，获得第一占空比信号，并根据所述第一占空比信号控制所述第一输出桥臂的开关状态。
在其中一个实施例中，所述第二占空比调节电路包括：获取单元，用于获取所述第一输入桥臂的触发脉冲的占空比与所述第一输出桥臂的触发脉冲的占空比之间的比值；乘法单元，用于根据所述比值对所述第一待处理信号进行乘法处理，获得第二待处理信号；叠加单元，用于根据所述比值及第二预设阈值对所述第二待处理信号进行叠加处理，获得第二占空比信号；控制单元，用于根据所述第二占空比信号控制所述预设移相角的占空比。。
本发明通过调节软开关双向直流变换器在升压模式下第一输出桥臂触发脉冲的占空比和移相角φ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压的目的，保障系统的稳定可靠运行。该方法与传统方法相比，在传输相同功率时有最小的导通损耗和关断损耗，不仅能在实现软开关基础上获得最高的能量变换效率，还能够减小电感值，实现更小的磁原件的体积，提高功率密度。
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升压模式恒电压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升压模式恒电压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升压模式恒电压控制方法的流程示意图；
图5为本发明一实施例的软开关双向直流变换器中电感的电流波形图；
图6为本发明一实施例的电压变比与占空比可调范围的关系曲线；
图7为本发明另一实施例的电压变比与占空比可调范围的关系曲线；
图8为本发明一实施例的软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制电路的模块框图；
图9为本发明另一实施例的软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制电路的模块框图；
图10为本发明又一实施例的软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制电路的模块框图；
图11为本发明一实施例的软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制电路的逻辑原理图。
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升压模式恒电压控制方法，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至少包括：第一输入桥臂110、第二输入桥臂120、第一输出桥臂130及第二输出桥臂140，其中第一输入桥臂110和第二输入桥臂120连接形成输入半桥，第一输出桥臂130与第二输出桥臂140连接形成输出半桥。其中，输入半桥与输出半桥之间还连接有电感L，具体地，电感L的一端连接第一输入桥臂110与第二输入桥臂120的连接节点，电感L的另一端连接第一输出桥臂130与第二输出桥臂140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110中的开关管与第二输入桥臂120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与输入半桥并联，输出电容C2与输出半桥并联。
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110包括开关管S1、第二输入桥臂120包括开关管S2、第一输出桥臂130包括开关管S3、第二输出桥臂140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，当软开关双向直流变换器处于升压模式时，根据第一输出桥臂的输出电压与预设电压的差值，调节第一输出桥臂的占空比。
其中，当软开关双向直流变换器的输出电压V 2 大于输入电压V 1（即n=V 2/V 1>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V 2 与输入电压V 1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D 2 ，直到开关管S 3 的占空比D 2 ，达到预先设定的最大值D 2max，即第一预设阈值。
S220，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φ。当开关管S3的占空比D2，达到预先设定的最大值D2 max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φ的占空比D φ ，可调节电路的输出功率的大小。其中，D φ =φ/2π。
本实施例中，通过调节第一输出桥臂130触发脉冲的占空比D2和第一输入桥臂110触发脉冲超前第一输出桥臂130触发脉冲的移相角φ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压的目的，保障系统的稳定可靠运行。
在一个实施例中，在调节第一输出桥臂130的占空比时，控制预设移相角φ的占空比维持不变；在调节预设移相角φ的占空比时，控制第一输出桥臂130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φ的占空比D φ ，改变第一输出桥臂130的占空比D 2来调节功率，当第一输出桥臂130的占空比D 2达到预设的最大值D 2max后，固定D 2，只靠改变预设移相角φ的占空比D φ 来调节功率。通过调节预设移相角φ对应占空比D φ 的正负，可调节电路能量流动的方向；当D φ 大于0时，能量由输入端传到输出端，当D φ 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压的目的，进一步保障系统的稳定可靠运行。
本发明提供了一种基于效率最优的软开关双向直流变换器升压模式恒电压控制方法，在传输相同功率时有最小的导通损耗和关断损耗，不仅能在实现软开关基础上获得最高的能量变换效率，还能够减小电感值，实现更小的磁原件的体积，提高功率密度。
在一个实施例中，如图3所示，上述步骤S210具体包括如下步骤：
S211，采样第一输出桥臂的输出电压，并计算第一输出桥臂的输出电压与预设电压的差值。
S212，对上述差值进行比例积分调节处理，获得第一待处理信号。
其中，假设预设电压为给定的电压V 2 *，第一输出桥臂的输出电压为软开关双向直流变换器的输出电压V 2。如图11所示，可将V 2与V 2 *作为比例积分调节器的差分输入电压，通过比例积分调节器对该差分输入电压进行比例积分调节处理，获得第一待处理信号D 2 *。
S213，对第一待处理信号进行限幅处理，获得第一占空比信号。
其中，限幅处理用于限制第一占空比信号的上限不超过第一预设阈值。具体的，如图11所示，通过限幅处理，将第一待处理信号D 2 *的上限限制为第一预设阈值D 2max，使输出的第一占空比信号不大于第一预设阈值D 2max。
S214，根据第一占空比信号控制第一输出桥臂的开关状态。
将第一占空比信号作为作为第一输出桥臂130的占空比D 2，从而根据第一占空比信号控制第一输出桥臂130的开关状态。
在一个实施例中，如图4所示，上述步骤S220具体包括如下步骤：
S221，获取第一输入桥臂的触发脉冲的占空比与第一输出桥臂的触发脉冲的占空比之间的比值。
其中，记所述第一输入桥臂110的触发脉冲的占空比与所述第一输出桥臂130的触发脉冲的占空比之间的比值为n，则n=V 2 /V 1 ，V 2 为第一输出桥臂130的输出电压，V 1 为第一输入桥臂110的输入电压。
S222，根据上述比值对第一待处理信号进行乘法处理，获得第二待处理信号。
具体地，将所述第一待处理信号乘以所述比值与预设数值的差值，获得第二待处理信号。可选地，预设数值为1。即，第二待处理信号=第一待处理信号(n-1) *D 2 *。
S223，根据上述比值及第二预设阈值对第二待处理信号进行叠加处理，获得第二占空比信号。
具体地，将根据第二预设阈值与上述比值的商作为叠加值，将该叠加值叠加在第二待处理信号中，获得第二占空比信号。例如，记软开关双向直流变换器10的输入半桥与输出半桥之间的电感L的电流为I 0，时间常数为T p ，则第二预设阈值为2I 0 L/V 1 T p ,，叠加值为2I 0 L/nV 1 T p ，叠加后第二占空比信号为 D φ =(n-1)D 2 *+2I 0 L/nV 1 T p 。
S223，根据第二占空比信号控制预设移相角的占空比。
将第二占空比信号作为作为预设移相角预设移相角φ的占空比D φ ，从而实现根据第二占空比信号来调节电路的功率。
在一个实施例中，方法还包括，根据第一占空比信号以及预设比值调节第一输入桥臂的占空比，其中，预设比值为第一输入桥臂的触发脉冲的占空比与第一输出桥臂的触发脉冲的占空比之间的比值。
本实施例中，第一输入桥臂110的触发脉冲占空比与第一输出桥臂130的触发脉冲占空比的比值等于n,，则调节n等于预设电压V 2 *和采样所得的输入电压V 1的商，将第一输出桥臂130的占空比D 2 与n相乘后，输出第三占空比信号D 1作为第一输入桥臂110的占空比。
在一个实施例中，记软开关双向直流变换器10的输入端电流为I 1，输出端电流为I 2，电感L的电流为I 0，则电感电流I 0与占空比D φ 和占空比D 2 的关系如图5所示。为了使软开关双向直流变换器能够在零电压开通，电感电流I 0的最低点小于0，因此电感电流的波动比传统的硬开关电路大，使电感值L的数量级可以成倍的减小。此时，由于采用较小的电感，因此电路损耗低、成本低，且可实现高开关频率和高功率密度。例如，图6示出了本发明一实施例中软开关双向直流变换器的电压变比n=1.05时，占空比D 2 和 D φ 的可调范围，以及250W，500W，1000W三条等功率线。其中，参数取L=150nH，I 0 =15.7A，T p =1μs，V 1 =35V，V 2 =52.5V，n=1.5，满载功率P max =1000W。
又如，图7示出了发明一实施例中软开关双向直流变换器的电压变比n=1.5时占空比D 2 和 D φ 的可调范围，以及250W，500W，1000W三条等功率线。其中，参数取L=150nH，I 0 =15.7A，T p =1μs，V 1 =50V，V 2 =52.5V，n=1.05，满载功率P max =1000W。
本发明另一方面还提供了一种软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制电路，如图8所示，该软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制电路80包括：
第一占空比调节电路810，用于连接软开关双向直流变换器的第一输出桥臂，并在当软开关双向直流变换器处于升压模式时，根据第一输出桥臂的输出电压与预设电压的差值，调节第一输出桥臂的占空比。
第二占空比调节电路820，用于连接软开关双向直流变换器的第一输出桥臂和第一输入桥臂，并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。
在一个实施例中，如图9所示，第一占空比调节电路810包括：
比例积分调节器811，连接第一输出桥臂，用于采样第一输出桥臂的输出电压，并将第一输出桥臂的输出电压与预设电压作为差分输入信号，对差分输入信号进行比例积分调节处理，获得第一待处理信号；
限幅电路812，连接比例积分调节器和第一输出桥臂，用于对第一待处理信号进行限幅处理，获得第一占空比信号，并根据第一占空比信号控制第一输出桥臂的开关状态。
在一个实施例中，如图10所示，第二占空比调节电路820包括：
获取单元821，用于获取所述第一输入桥臂的触发脉冲的占空比与所述第一输出桥臂的触发脉冲的占空比之间的比值。
乘法单元822，用于根据所述比值对所述第一待处理信号进行乘法处理，获得第二待处理信号。
叠加单元823，用于根据所述比值及第二预设阈值对所述第二待处理信号进行叠加处理，获得第二占空比信号；
控制单元824，用于根据所述第二占空比信号控制所述预设移相角的占空比。
在一个实施例中，提供了一种软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制电路，用于实现上述任一实施例的软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制方法。
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 (6)

1.一种软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制方法，其特征在于，所述软开关双向直流变换器包括：第一输入桥臂、第二输入桥臂、第一输出桥臂及第二输出桥臂，其中所述第一输入桥臂和所述第二输入桥臂连接形成输入半桥，所述第一输出桥臂与所述第二输出桥臂连接形成输出半桥，所述输入半桥与所述输出半桥之间还连接有电感，所述电感的一端连接所述第一输入桥臂与所述第二输入桥臂的连接节点，所述电感的另一端连接所述第一输出桥臂与所述第二输出桥臂的连接节点；所述方法包括：
当所述软开关双向直流变换器处于升压模式时，采样所述第一输出桥臂的输出电压，并计算所述第一输出桥臂的输出电压与预设电压的差值；
对所述差值进行比例积分调节处理，获得第一待处理信号；
对所述第一待处理信号进行限幅处理，获得第一占空比信号；
根据所述第一占空比信号控制所述第一输出桥臂的开关状态；
当所述第一输出桥臂的占空比达到第一预设阈值时，获取所述第一输入桥臂的触发脉冲的占空比与所述第一输出桥臂的触发脉冲的占空比之间的比值；
根据所述比值对所述第一待处理信号进行乘法处理，获得第二待处理信号；
根据所述比值及第二预设阈值对所述第二待处理信号进行叠加处理，获得第二占空比信号；
根据所述第二占空比信号控制预设移相角的占空比，所述预设移相角为所述第一输入桥臂的触发脉冲超前于所述第一输出桥臂的触发脉冲的移相角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在调节所述第一输出桥臂的占空比时，控制所述预设移相角的占空比维持不变；
在调节所述预设移相角的占空比时，控制所述第一输出桥臂的占空比维持不变。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述限幅处理用于限制所述第一占空比信号的上限不超过所述第一预设阈值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述比值对所述第一待处理信号进行乘法处理，具体为：将所述第一待处理信号乘以所述比值与预设数值的差值，获得第二待处理信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，根据所述第一占空比信号以及所述比值调节所述第一输入桥臂的占空比，其中，所述比值为所述第一输入桥臂的触发脉冲的占空比与所述第一输出桥臂的触发脉冲的占空比之间的比值。
6.一种软开关双向直流变换器的升压模式恒电压控制电路，其特征在于，所述软开关双向直流变换器包括：第一输入桥臂、第二输入桥臂、第一输出桥
臂及第二输出桥臂，其中所述第一输入桥臂和所述第二输入桥臂连接形成输入
半桥，所述第一输出桥臂与所述第二输出桥臂连接形成输出半桥，所述输入半
桥与所述输出半桥之间还连接有电感，所述电感的一端连接所述第一输入桥臂
与所述第二输入桥臂的连接节点，所述电感的另一端连接所述第一输出桥臂与
所述第二输出桥臂的连接节点；
所述软开关双向直流变换器的升压模式恒功率控制电路包括：
第一占空比调节电路，用于连接软开关双向直流变换器的第一输出桥臂，并在所述软开关双向直流变换器处于升压模式时，根据所述第一输出桥臂的输出电压与预设电压的差值，调节所述第一输出桥臂的占空比；
第二占空比调节电路，用于连接所述软开关双向直流变换器的第一输出桥臂和第一输入桥臂，并当所述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，所述预设移相角为所述第一输入桥臂的触发脉冲超前于所述第一输出桥臂的触发脉冲的移相角；所述第一占空比调节电路包括比例积分调节器和限幅电路：
所述比例积分调节器，连接所述第一输出桥臂，用于采样所述第一输出桥臂的输出电压，并将所述第一输出桥臂的输出电压与预设电压作为差分输入信号，对所述差分输入信号进行比例积分调节处理，获得第一待处理信号；
所述限幅电路，连接所述比例积分调节器和所述第一输出桥臂，用于对所述第一待处理信号进行限幅处理，获得第一占空比信号，并根据所述第一占空比信号控制所述第一输出桥臂的开关状态；所述第二占空比调节电路包括获取单元、乘法单元、叠加单元和控制单元：
所述获取单元，用于获取所述第一输入桥臂的触发脉冲的占空比与所述第一输出桥臂的触发脉冲的占空比之间的比值；
所述乘法单元，用于根据所述比值对所述第一待处理信号进行乘法处理，获得第二待处理信号；
所述叠加单元，用于根据所述比值及第二预设阈值对所述第二待处理信号进行叠加处理，获得第二占空比信号；
所述控制单元，用于根据所述第二占空比信号控制所述预设移相角的占空比。
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