CN111446861B - 直流/直流变换器及其控制方法 - Google Patents

直流/直流变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种直流/直流变换器的控制方法与直流/直流变换器。直流/直流变换器包括耦接于第一节点的第一电容和第二电容;耦接于第一节点至第五节点的五端口网络;电连接于第四节点和第五节点变压器和电连接于变压器的副边绕组的二次侧电路,该二次侧电路耦接于负载;控制方法包括:在负载小于预设值时,控制二次侧电路中多个开关管的开关状态使变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段;在第一时间段内控制五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从五端口网络流入至第一节点或从第一节点流出至五端口网络,以减小第一电容与第二电容上的电压差。本公开提供的直流/直流变换器的控制方法可以增大直流/直流变换器的中点平衡调节能力。

Description

直流/直流变换器及其控制方法
技术领域
本公开涉及电源技术领域,具体而言,涉及一种直流/直流变换器的控制方法与相关的直流/直流变换器。
背景技术
高压直流/直流变换器被广泛应用在大功率直流变换系统、新能源储能系统、电动汽车充电装置、轨道交通配电系统中,为减小导线损耗和成本、提高电压等级、减少级联单元数目,高压直流/直流变换器通常借助三电平电路来实现高压输入。受硬件参数不一致等因素影响,三电平电路的中点电位会出现不平衡现象,影响器件安全和变换器的正常运行,须对中点电位进行平衡控制。
在相关技术中,通常通过调控流经中点的电流来调节中点平衡,该电流的大小取决于负载大小,当负载过小时,电流幅值过小,难以实现中点电位的调节。
此外,高压直流/直流变换器在轻载情况下时通常会工作于打嗝模式 (BurstMode)以减小器件的开关和导通损耗,提升效率。打嗝模式即轻载时变换器间歇工作,开关管开启一段时间传递能量给负载供电,并向输出电容充电,充够一定能量后变换器停止工作,由输出电容提供负载功率,放电至一定程度后继续开通变换器进行充电,循环往复。应用三电平电路的直流/直流变换器工作于轻载Burst模式下时,只有在能量传递阶段开关管动作才能进行中点平衡控制,随着负载变轻,开关动作时间缩短,中点调节能力减弱。
因此,应用三电平电路的直流/直流变换器在目前的工作模式下存在轻载中点平衡能力弱的问题。
需要说明的是,在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解,因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种直流/直流变换器的控制方法与相关的直流/直流变换器,用于至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致应用三电平电路的直流/直流变换器在目前的工作模式下轻载中点平衡能力弱的问题。
根据本公开的第一方面,提供一种直流/直流变换器的控制方法,应用于直流/直流变换器,所述直流/直流变换器包括耦接于第一节点的第一电容和第二电容,所述第一电容的第二端耦接于第二节点,所述第二电容的第二端耦接于第三节点;耦接于所述第一节点、所述第二节点、所述第三节点的五端口网络,所述五端口网络还耦接于第四节点和第五节点;与所述第四节点和所述第五节点电连接的变压器;电连接于所述变压器的副边绕组的二次侧电路,所述二次侧电路耦接于负载;包括:
在所述负载小于预设值时,控制所述二次侧电路中多个开关管的开关状态使所述变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段;
在所述第一时间段内控制所述五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从所述五端口网络流入至所述第一节点或从所述第一节点流出至所述五端口网络,以减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差。
在本公开的示例性实施例中,所述五端口网络包括耦接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一桥臂、耦接在所述第一节点和所述第三节点之间的第二桥臂,所述第一桥臂包括串联的第一开关元件和第二开关元件,所述第二桥臂包括串联的第三开关元件和第四开关元件。
在本公开的示例性实施例中,所述五端口网络包括耦接在所述第二节点和所述第四节点之间的第一桥臂、耦接在所述第三节点和所述第四节点之间的第二桥臂、耦接在所述第一桥臂的中点和所述第二桥臂的中点之间的第三桥臂,所述第一桥臂包括耦接于所述第一桥臂的中点的第一开关元件和第二开关元件,所述第二桥臂包括耦接于所述第二桥臂的中点的第三开关元件和第四开关元件,所述第三桥臂包括耦接于所述第五节点的第一二极管和第二二极管,所述第五节点耦接于所述第一节点。
在本公开的示例性实施例中,所述在所述第一时间段内控制所述五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从所述五端口网络流入至所述第一节点或从所述第一节点流出至所述五端口网络,以减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差包括:
在所述第一时间段内控制所述第一开关元件与所述第二开关元件互补导通,所述第三开关元件与所述第四开关元件互补导通,使所述第一开关元件与所述第四开关元件的开通时间具有第一预设相位差,所述第二开关元件与所述第三开关元件的开通时间具有所述第一预设相位差;
调节所述第一预设相位差以控制所述电流的流向,减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差。
上述任意一项所述的控制方法,所述在所述第一时间段内控制所述五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从所述五端口网络流入至所述第一节点或从所述第一节点流出至所述五端口网络,以减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差包括:
在所述第一时间段内控制所述第一开关元件与所述第二开关元件互补导通,所述第三开关元件与所述第四开关元件互补导通,使一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间大于所述第二开关元件的导通时间,所述第三开关元件的导通时间大于所述第四开关元件的导通时间,所述第一开关元件和所述第三开关元件至少重叠导通第二时间段,或者一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间小于所述第二开关元件的导通时间,所述第三开关元件的导通时间小于所述第四开关元件的导通时间,所述第二开关元件和所述第四开关元件至少重叠导通所述第二时间段;
调节所述第二时间段使得所述第一电容与所述第二电容上的电压差减小。
在本公开的示例性实施例中,所述在所述第一时间段内控制所述五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从所述五端口网络流入至所述第一节点或从所述第一节点流出至所述五端口网络,以减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差包括:
控制所述第一开关元件与所述第三开关元件互补导通,所述第二开关元件与所述第四开关元件互补导通,使一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间小于所述第三开关元件的导通时间,所述第四开关元件的导通时间小于所述第二开关元件的导通时间,所述第二开关元件和所述第三开关元件至少重叠导通第三时间段;
调节所述第三时间段使得所述第一电容与所述第二电容上的电压差减小。
在本公开的示例性实施例中,所述直流/直流变换器还包括第一无源网络和/或第二无源网络,所述第一无源网络耦接于所述第四节点、所述第五节点和所述变压器的原边绕组之间,所述第二无源网络耦接于所述变压器的副边绕组和所述二次侧电路之间。
在本公开的示例性实施例中,所述第一无源网络和/或所述第二无源网络仅包括电容。
在本公开的示例性实施例中,所述第一无源网络和/或所述第二无源网络包括电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络。
在本公开的示例性实施例中,所述二次侧电路包括第四桥臂、第五桥臂,所述第四桥臂包括耦接于第六节点的第五开关元件、第六开关元件,所述第五桥臂包括耦接于第七节点的第七开关元件、第八开关元件,所述第五开关元件与所述第七开关元件耦接,所述第六开关元件与第八元件耦接,所述第六节点、所述第七节点电连接于所述变压器的副边绕组;所述控制所述二次侧电路中多个开关管的开关状态使所述变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段包括:
在所述第一时间段内同时控制所述第五开关元件、所述第七开关元件开启,所述第六开关元件、所述第八开关元件关断;或者
在所述第一时间段内同时控制所述第六开关元件、所述第八开关元件开启,所述第五开关元件、所述第七开关元件关断。
在本公开的示例性实施例中,所述二次侧电路包括耦接的第五开关元件和第六开关元件,所述第五开关元件通过第六节点电连接于所述变压器的副边绕组的第一端,所述第六开关元件通过第七节点电连接于所述变压器的副边绕组的第二端,所述控制所述二次侧电路中多个开关管的开关状态使所述变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段包括:
在所述第一时间段内同时控制所述第五开关元件、所述第六开关元件导通。
在本公开的示例性实施例中,所述控制所述二次侧电路中多个开关管的开关状态使所述变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段包括:
根据所述第一电容和所述第二电容的电压差进行滞环控制或比例积分控制以确定所述第一时间段。
在本公开的示例性实施例中,还包括:
在所述负载小于所述预设值时,控制所述直流/直流变换器工作在打嗝模式,所述第一时间段存在于打嗝周期内。
在本公开的示例性实施例中,所述直流/直流变换器的前级包括交流 /直流变换器,所述交流/直流变换器耦接于所述第一节点、所述第二节点和所述第三节点。
在本公开的示例性实施例中,所述直流/直流变换器为双向变换电路。
根据本公开的第二方面,提供一种直流/直流变换器,包括:
第一电容,第一端耦接于第一节点,第二端耦接于第二节点;
第二电容,第一端耦接于所述第一节点,第二端耦接于第三节点;
五端口网络,第一端、第二端、第三端、第四端、第五端分别耦接于所述第一节点、所述第二节点、所述第三节点、第四节点、第五节点;
变压器,原边绕组电连接于与所述第四节点和所述第五节点;
二次侧电路,电连接于所述变压器的副边绕组;
控制模块,耦接于所述五端口网络和所述二次侧电路,用于在所述负载小于预设值时,控制所述二次侧电路中多个开关管的开关状态使所述变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段;在所述第一时间段内控制所述五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从所述五端口网络流入至所述第一节点或从所述第一节点流出至所述五端口网络,以减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差。
在本公开的示例性实施例中,所述五端口网络包括:
第一桥臂,耦接在所述第一节点和所述第二节点之间,包括串联的第一开关元件和第二开关元件;
第二桥臂,耦接在所述第一节点和所述第三节点之间,包括串联的第三开关元件和第四开关元件。
在本公开的示例性实施例中,所述五端口网络包括:
第一桥臂,耦接在所述第二节点和所述第四节点之间,包括耦接于第八节点的第一开关元件和第二开关元件;
第二桥臂,耦接在所述第三节点和所述第四节点之间,包括耦接于第九节点的第三开关元件和第四开关元件;
第三桥臂,耦接在所述第八节点和所述第九节点之间,包括耦接于所述第五节点的第一二极管和第二二极管;
其中,所述第五节点耦接于所述第一节点。
在本公开的示例性实施例中,所述控制模块设置为:
在所述第一时间段内控制所述第一开关元件与所述第二开关元件互补导通,所述第三开关元件与所述第四开关元件互补导通,使所述第一开关元件与所述第四开关元件的开通时间具有第一预设相位差,所述第二开关元件与所述第三开关元件的开通时间具有所述第一预设相位差;
调节所述第一预设相位差使得所述第一电容与所述第二电容上的电压差减小。
在本公开的示例性实施例中,所述控制模块设置为:
在所述第一时间段内控制所述第一开关元件与所述第二开关元件互补导通,所述第三开关元件与所述第四开关元件互补导通,使一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间大于所述第二开关元件的导通时间,所述第三开关元件的导通时间大于所述第四开关元件的导通时间,所述第一开关元件和所述第三开关元件至少重叠导通第二时间段,或者一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间小于所述第二开关元件的导通时间,所述第三开关元件的导通时间小于所述第四开关元件的导通时间,所述第二开关元件和所述第四开关元件至少重叠导通所述第二时间段;
调节所述第二时间段使得所述第一电容与所述第二电容上的电压差减小。
在本公开的示例性实施例中,所述控制模块设置为:
控制所述第一开关元件与所述第三开关元件互补导通,所述第二开关元件与所述第四开关元件互补导通,使一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间小于所述第三开关元件的导通时间,所述第四开关元件的导通时间小于所述第二开关元件的导通时间,所述第二开关元件和所述第三开关元件至少重叠导通第三时间段;
调节所述第三时间段使得所述第一电容与所述第二电容上的电压差减小。
在本公开的示例性实施例中,所述直流/直流变换器还包括第一无源网络和/或第二无源网络,所述第一无源网络耦接于所述第四节点、所述第五节点和所述变压器的原边绕组之间,所述第二无源网络耦接于所述变压器的副边绕组和所述二次侧电路之间。
在本公开的示例性实施例中,所述第一无源网络和/或所述第二无源网络仅包括电容。
在本公开的示例性实施例中,所述第一无源网络和/或所述第二无源网络包括电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络。
在本公开的示例性实施例中,所述二次侧电路包括:
第四桥臂,包括耦接于第六节点的第五开关元件、第六开关元件;
第五桥臂,包括耦接于第七节点的第七开关元件、第八开关元件;
所述第五开关元件与所述第七开关元件耦接,所述第六开关元件与所述第八元件耦接,所述第六节点、所述第七节点电连接于所述变压器的副边绕组。
在本公开的示例性实施例中,所述控制模块设置为:
在所述第一时间段内同时控制所述第五开关元件、所述第七开关元件开启,所述第六开关元件、所述第八开关元件关断;
或者,在所述第一时间段内同时控制所述第六开关元件、所述第八开关元件开启,所述第五开关元件、所述第七开关元件关断。
在本公开的示例性实施例中,所述二次侧电路包括:
第五开关元件,通过第六节点电连接于所述变压器的副边绕组的第一端;
第六开关元件,耦接于所述第五开关元件,通过第七节点电连接于所述变压器的副边绕组的第二端。
在本公开的示例性实施例中,所述控制模块设置为在所述第一时间段内同时控制所述第五开关元件、所述第六开关元件导通。
在本公开的示例性实施例中,所述控制模块设置为根据所述第一电容和所述第二电容的电压差进行滞环控制或比例积分控制以确定所述第一时间段。
在本公开的示例性实施例中,所述控制模块设置为在所述负载小于所述预设值时,控制所述直流/直流变换器工作在打嗝模式,所述第一时间段存在于打嗝周期内。
在本公开的示例性实施例中,所述直流/直流变换器的前级包括交流 /直流变换器,所述交流/直流变换器耦接于所述第一节点、所述第二节点和所述第三节点。
在本公开的示例性实施例中,所述直流/直流变换器为双向变换电路。
本公开实施例提供的直流/直流变换器的控制方法通过在轻载直流/ 直流变换器的能量停止传输阶段控制变压器二次侧电路短路以产生较大的中点调节电流、控制直流/直流变换器一次侧五端口网络以控制调节电流的流向,可以使用较大的中点调节电流控制中点平衡,增大了直流/直流变换器的中点调节能力;此外,通过在能量停止传输阶段间歇短时间控制中点调节电流的产生和调节动作,可以在不影响轻载效率的情况下降低能量损耗和器件损耗。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本公开的实施例,并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种应用三电平电路的直流/直流变换器的示意图。
图2是图1所示直流/直流变换器的一个实施例的示意图。
图3是图1所示直流/直流变换器的五端口网络11为串联双半桥结构的示意图。
图4是图3所示直流/直流变换器的脉宽调制波形示意图。
图5是一个实施例中二次侧电路13的示意图。
图6A~图6D是五端口网络11为串联双半桥结构、二次侧电路为双桥臂结构时的短路与移相控制过程示意图。
图7是另一个实施例中二次侧电路13的示意图。
图8是图7所示二次侧电路13的短路方法示意图。
图9是直流/直流变换器的仿真波形示意图。
图10是五端口网络11为二极管钳位结构的示意图。
图11是移相控制的波形示意图。
图12是五端口网络11为二极管钳位结构时脉宽调制的波形示意图。
图13是对二次侧电路13进行间歇短路的波形示意图。
图14A是利用外部电路实现中点平衡控制的仿真波形。
图14B是0.25%负载下间歇短路调节的仿真波形。
图15是交流/直流变换器耦接于直流/直流变换器的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的范例;相反,提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中,提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而,本领域技术人员将意识到,可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多,或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下,不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
此外,附图仅为本公开的示意性图解,图中相同的附图标记表示相同或类似的部分,因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体,不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体,或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体,或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
下面结合附图对本公开示例实施方式进行详细说明。
图1是本公开实施例提供的一种应用三电平电路的直流/直流变换器的示意图。
参考图1,直流/直流变换器100可以包括:
第一电容C1,第一端耦接于第一节点N1,第二端耦接于第二节点 N2;
第二电容C2,第一端耦接于第一节点N1,第二端耦接于第三节点 N3;
五端口网络11,第一端、第二端、第三端、第四端、第五端分别耦接于第一节点N1、第二节点N2、第三节点N3、第四节点N4、第五节点N5;
变压器12,原边绕组电连接于第四节点N4和第五节点N5;
二次侧电路13,通过第六节点N6和第七节点N7电连接于变压器 12的副边绕组,同时耦接于负载Load;
控制模块CON,耦接于五端口网络11和二次侧电路13,用于在负载Load的值小于预设值时,控制二次侧电路13中多个开关管的开关状态使变压器12在能量停止传输阶段内短路至少第一时间段T1,在第一时间段T1内控制五端口网络11中的多个开关管的开关状态使电流从五端口网络11流入至第一节点N1或从第一节点N1流出至五端口网络11,以减小第一电容C1与第二电容C2上的电压差。
在一些实施例中,直流/直流变换器100还可以包括一或多个无源网络,如图2所示,可以仅包括第一无源网络14或仅包括第二无源网络 15,也可以同时包括第一无源网络14和第二无源网络15。其中,第一无源网络14耦接在第四节点N4、第五节点N5和变压器1 2的原边绕组之间,第二无源网络15耦接在变压器1 2的副边绕组和二次侧电路13之间(通过第六节点N6和第七节点N7与二次侧电路13耦接)。
各无源网络的形式也可以有多种。例如可以仅包括一或多个电容,也可以包括电容和电感通过串联、并联、串并联构成的各类组合。本公开不对各无源网络的形式、连接方案做特殊限定,本领域技术人员可以根据实际情况自行设置。
图3是图1所示直流/直流变换器的五端口网络11的示意图。
在图3所示的实施例中,五端口网络11可以包括:
第一桥臂,耦接在第一节点N1和第二节点N2之间,包括串联的第一开关元件M1和第二开关元件M2;
第二桥臂,耦接在第一节点N1和第三节点N3之间,包括串联的第三开关元件M3和第四开关元件M4。
在图3中,五端口网络11是由四个串联的主动器件组成串联的两个半桥,这种结构称为串联双半桥(SHB)结构。
为解决三电平拓扑结构中点平衡问题,相关技术通过控制中间电平的作用时间来调节流入或流出中点的电流iN大小。以图3所示结构为例,相关技术提出了一种基于占空比调制的中点平衡方法,控制时序如图4 所示。在图4的t1~t2阶段内,M1和M3导通生成高电平,使变压器12 一次侧电流为正,电流通过M3流入中点(第一节点N1);在t6-t7阶段内,M1和M3导通生成高电平,使变压器12一次侧电流为负,电流通过M3流出中点(第一节点N1)。在一个开关周期内,两次高电平状态对中点的作用相反,从而可以通过调节正负半周高电平的作用时间差来控制中点平衡。例如当Tpf<Tnf时,一个开关周期内,流出中点的电流较流入中点更大,可以使第二电容C2电压下降,第一电容C1电压上升,实现中点电位的调节,反之亦然。
这种方式中调节电流受到负载影响。当负载低于预设值时,这种方式调节电流过小,中点平衡调节能力有限。因此,本公开提供了一种用于直流/直流变换器中点平衡调节的直流/直流变换器控制方法,在负载小于预设值即轻载时控制二次侧电路13中多个开关管的开关状态,使变压器12在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段,并在该第一时间段内控制五端口网络11产生中点调节电流,以利用变压器二次侧电路短路产生更大的中点调节电流,增强电路的中点平衡调节能力。
在一些实施例中,本公开实施例提供的控制方法可以应用在如图1 或图3所示的三电平直流/直流电路轻载工况的Burst(打嗝)工作模式中,即在Burst传递能量阶段维持原有工作方式不变,在Burst停止阶段 (即停止能量传输阶段),将变压器12短路至少第一时间段,控制五端口网络11的开关管产生较大短路电流,使五端口网络11向中点(第一节点N1)注入或抽出电流。由于在第一时间段内变压器12短路,输出滤波电容没有功率流入,变换器仍处于停止传递能量的阶段,这种中点平衡控制方法对输出电压控制不产生影响。
在一实施例中,图1和图3所示的直流/直流变换器为双向变换电路,功率可以正向流动,也可以反向流动。
图5是一种二次侧电路13的示意图。
参考图5,二次侧电路13可以包括:
第四桥臂,包括耦接于第六节点的第五开关元件M5、第六开关元件M6;
第五桥臂,包括耦接于第七节点的第七开关元件M7、第八开关元件M8;
其中,第五开关元件M5与第七开关元件M7耦接,第六开关元件 M6与第八开关元件M8耦接。
在图5所示实施例中,可以在第一时间段内同时控制第五开关元件 M5、第七开关元件M7开启,第六开关元件M6、第八开关元件M8关断;或者在第一时间段内同时控制第六开关元件M6、第八开关元件M8 开启,第五开关元件M5、第七开关元件M7关断,以使变压器12短路。
以图5所示二次侧电路13与图3所示的串联双半桥(SHB)结构的五端口网络11配合为例,在直流/直流变换器工作于Burst停止阶段时,通过将全桥电路的两个上管或者两个下管同时开通使变压器12短路,可以使五端口网络11工作于1电平模态,从而配合五端口网络11中开关管的控制使变压器原边绕组耦接的一次侧电路的电流从第一节点N1 (中点)流出至五端口网络11或从五端口网络11流入至第一节点N1。当第一电容C1上的电压小于第二电容C2上的电压时,如图6A至图6D 所示,控制二次侧电路配合五端口网络11中开关管的控制,使变压器原边绕组耦接的一次侧电路的电流从第一节点N1(中点)流出至五端口网络11,从而增大第一电容C1上的电压,减小第二电容C2上的电压,以减小第一电容C1与第二电容C2上的电压差。
图7是另一种二次侧电路13的示意图。
参考图7,二次侧电路13可以包括:
第五开关元件M5,通过第六节点N6电连接于变压器12的副边绕组的第一端;
第六开关元件M6,耦接于第五开关元件M6,通过第七节点N7电连接于变压器12的副边绕组的第二端。
在图7所示实施例中,二次侧电路13为全波整流结构,可以同时控制第五开关元件M5和第六开关元件M6导通以使变压器12短路,如图 8所示,当图7所示二次侧电路13与图3所示的串联双半桥结构的五端口网络11配合时,可以使五端口网络11工作于1电平模态,从而配合五端口网络11中开关管的控制使变压器原边绕组耦接的一次侧电路的电流从第一节点N1(中点)流出至五端口网络11或从五端口网络11流入至第一节点N1。
图9是图6A~图6D或图8中直流/直流变换器输出波形的仿真波形示意图。参考图9,直流/直流变换器100工作于Burst模式,输出电压随能量传递启停的切换而交替上升下降,总体维持恒压,变压器原边绕组耦接的一次侧电路的谐振电流在能量传递阶段由于负载极轻而幅值较小,在停止能量传输阶段由于变压器12短路而幅值较高,从而流出中点的电流也相应较大,中点平衡调节能力大幅上升。
图10是另一种五端口网络11的示意图。
参考图10,在一个实施例中,五端口网络11也可以包括:
第一桥臂,耦接在第二节点N2和第四节点N4之间,包括耦接于第八节点的第一开关元件M1和第二开关元件M2;
第二桥臂,耦接在第三节点N3和第四节点N4之间,包括耦接于第九节点的第三开关元件M3和第四开关元件M4;
第三桥臂,耦接在第八节点和第九节点之间,包括耦接于第五节点N5的第一二极管D1和第二二极管D2;
其中,第五节点N5耦接于第一节点N1。
如图5和图7所示的二次侧电路13也同样可以配合如图10所示的二极管钳位结构的五端口网络11运行以调节流入或流出第一节点N1的电流,从而使C1和C2上的电压差减小。
在本公开实施例中,在二次侧电路13短路时,控制五端口网络11 以调节电流流入或流出第一节点N1的方法例如可以包括移相控制和脉宽调制。当五端口网络11为图3所示的串联双半桥结构时,可以通过移相控制或脉宽调制来控制五端口网络11;当五端口网络为图10所示的二极管钳位结构时,可以通过脉宽调制来控制五端口网络11。
图11是移相控制的波形示意图。
在图11中,S1~S4分别为第一开关元件M1~第四开关元件M4的栅极控制信号。
参考图11,当五端口网络11为图2所示的串联双半桥结构时,在变压器短路期间(即第一时间段内),可以控制第一开关元件M1与第二开关元件M2互补导通,第三开关元件M3与第四开关元件M4互补导通,使第一开关元件M1与第四开关元件M4的开通时间具有第一预设相位差,第二开关元件M2与第三开关元件M3的开通时间具有第一预设相位差,调节第一预设相位差使得第一电容C1与第二电容C2上的电压差减小。
图4同时也是五端口网络11为图3所示的串联双半桥结构时脉宽调制的波形示意图。
参考图4,在对五端口网络11进行脉宽调制时,可以控制第一开关元件M1与第二开关元件M2互补导通,第三开关元件M3与第四开关元件M4互补导通,使一个开关周期内第一开关元件M1的导通时间大于第二开关元件M2的导通时间,第三开关元件M3的导通时间大于第四开关元件M4的导通时间,第一开关元件M1和第三开关元件M3重叠导通第二时间段;或者一个开关周期内第一开关元件M1的导通时间小于第二开关元件M2的导通时间,第三开关元件M3的导通时间小于第四开关元件M4的导通时间,第二开关元件M2和第四开关元件M4重叠导通第二时间段,调节第二时间段使得第一电容C1与第二电容C2 上的电压差减小。可以从图3中看出,第二时间段可以分为Tpf和Tnf两部分。
图12是五端口网络11为图10所示的二极管钳位结构时脉宽调制的波形示意图。
对于二极管中点箝位电路,控制信号的导通状态是第一开关元件M1 的控制信号S1与第三开关元件M3的控制信号S3互补,第二开关元件 M2的控制信号S2与第四开关元件M4的控制信号S4互补,S2与S3的导通状态时间大于S1和S4。由于拓扑结构不同,二极管钳位结构在脉宽调制时对开关管的控制方案和串联双半桥结构的脉宽调制不完全相同,主要是通过调节正负半周高电平(1和-1)的作用时间差来控制中点平衡。
上述五端口网络的电路示意图以及对应的调制方式仅为示意,本领域技术人员可以在应用本公开二次侧电路控制方法的基础上自行设置五端口网络的结构以及对应的控制方法,以实现控制变压器一次侧电流流入或流出第一节点N1,C1和C2上的电压差减小,从而实现直流/直流变换器的中点平衡。
变压器短路虽然可以产生较大的一次侧电流进行中点平衡控制,但相较于在能量传递停止阶段所有开关管全关的工作方式,变压器一次侧电路(即五端口网络11)开关管大电流关断的关断损耗大,导通损耗也较大,严重影响轻载效率。
由于在轻载工况的打嗝模式停止传递能量阶段时,变压器短路时电路的中点调节能力极强,因此,可根据中点不平衡情况适当间歇使用短路平衡策略,降低能量损耗,以达到提升中点调节能力和降低轻载损耗之间的平衡。即在本公开实施例中,还可以使变压器12在负载小于预设值且直流/直流变换器工作在打嗝模式的停止能量传输阶段内短路至少第一时间段。该第一时间段可以存在于打嗝模式的一个打嗝周期内,并根据第一电容C1和第二电容C2的电压差进行滞环控制或比例积分控制来确定。
图13是本公开一个实施例中对二次侧电路进行间歇短路的波形示意图。
参考图13,在轻载工况下,于Burst停止能量传递阶段将变压器12 间歇短路,控制电流流入或流出第一节点N1,从而保持电容桥臂中点电压平衡(C1与C2电压差减小)。在图12所示的实施例中,五端口网络11的控制方法不限,二次侧电路13的短路方法不限。短路模式下的间歇调节可根据两输入电容的电压差值做滞环控制,也可根据PI调节器输出做占空比调整。
图14A是利用外部电路实现中点平衡控制的仿真波形。
图14B是0.25%负载下间歇短路调节的仿真波形,实现了输出电压稳压控制和中点电位平衡控制,与图14A相比,输出电压纹波相同,验证了中点平衡控制对输出电压控制无影响。
在一实施例中,直流/直流变换器100的前级包括交流/直流变换器 200,直流/直流变换器100和交流/直流变换器200通过第一节点N1、第二节点N2、第三节点N3耦接。
如图15所示,交流/直流变换器200通常由两路二极管中点钳位 (Diode NeutralPoint Clamping,DNPC)三电平拓扑构成,这种结构的中点电位也可以由交流/直流变换器200来进行调节。
以图15中的DNPC三电平电路结构为例,对于单个DNPC桥臂 (Q1、Q2、Q3、Q4或Q5、Q6、Q7、Q8)可以生成+1,0,-1三种电平,只有工作于0电平时,可将网侧电流通过内侧的两个开关管接入中点N1,因此可以通过调节0电平的作用时间来调节中点平衡,根据调制波的正负极性和电流方向确定调制波的调节方向。
由于交流/直流变换器200在轻载时的电网电流极小,不足以提供足够的中点电流,通常需要注入无功电流来增大电网电流的幅值以提高中点平衡控制能力,并分别调节两个桥臂的调制波来实现中点电位平衡(第一电容和第二电容上的电压差减小)。这种中点控制方法会对电网质量产生影响,较大的无功电流的注入也加大了交流/直流变换器200的导通损耗和开关损耗。
因此,在本公开一个实施例中,于轻载时,通过控制直流/直流的变换器100在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段来实现如图15所示的电路的中点平衡,即控制第一节点N1的流入、流出电流,使C1和C2上的电压差减小。可以通过前述所有提及的方式控制直流/直流变换器100中第一节点N1的流入、流出电流,使C1和C2上的电压差减小,进而控制图15所示电路的中点平衡。具体的控制方法本公开于此不再赘述。
值得一提的是,在上述实施例中,本公开实施例提供的直流/直流变换器的控制方法可以与负载大于该预设值时电路的控制方法交替出现,形成一定的控制周期。在实际工作过程中,该控制方法也可以仅由电容桥臂的不平衡状况所触发,与电路正常工作时的控制方法并未形成一定的控制周期,甚至于与负载的状况无关。
综上,在本公开实施例中,通过在负载低于预定值时,例如在轻载的状况下,将变压器短路,让一次侧五端口网络工作以取得电容桥臂的中点平衡,可以增大电路的中点调节能力。此外,通过间歇式短路调节,还可以兼顾中点平衡与轻载效率。本方法可以适用于变压器原边绕组耦接的一次侧电路为三电平结构的各类谐振或非谐振、单向或双向直流/直流电路,应用范围广。
应当注意,尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元,但是这种划分并非强制性的。实际上,根据本公开的实施方式,上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之,上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
此外,上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明,而不是限制目的。易于理解,上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外,也易于理解,这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本公开的真正范围和构思由权利要求指出。

Claims (32)

1.一种直流/直流变换器的控制方法,应用于直流/直流变换器,所述直流/直流变换器包括耦接于第一节点的第一电容和第二电容,所述第一电容的第二端耦接于第二节点,所述第二电容的第二端耦接于第三节点;耦接于所述第一节点、所述第二节点、所述第三节点的五端口网络,所述五端口网络还耦接于第四节点和第五节点;与所述第四节点和所述第五节点电连接的变压器;电连接于所述变压器的副边绕组的二次侧电路,所述二次侧电路耦接于负载;其特征在于,包括:
在所述负载小于预设值时,控制所述二次侧电路中多个开关管的开关状态使所述变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段;
在所述第一时间段内控制所述五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从所述五端口网络流入至所述第一节点或从所述第一节点流出至所述五端口网络,以减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差。
2.如权利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述五端口网络包括耦接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一桥臂、耦接在所述第一节点和所述第三节点之间的第二桥臂,所述第一桥臂包括串联的第一开关元件和第二开关元件,所述第二桥臂包括串联的第三开关元件和第四开关元件。
3.如权利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述五端口网络包括耦接在所述第二节点和所述第四节点之间的第一桥臂、耦接在所述第三节点和所述第四节点之间的第二桥臂、耦接在所述第一桥臂的中点和所述第二桥臂的中点之间的第三桥臂,所述第一桥臂包括耦接于所述第一桥臂的中点的第一开关元件和第二开关元件,所述第二桥臂包括耦接于所述第二桥臂的中点的第三开关元件和第四开关元件,所述第三桥臂包括耦接于所述第五节点的第一二极管和第二二极管,所述第五节点耦接于所述第一节点。
4.如权利要求2所述的控制方法,其特征在于,所述在所述第一时间段内控制所述五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从所述五端口网络流入至所述第一节点或从所述第一节点流出至所述五端口网络,以减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差包括:
在所述第一时间段内控制所述第一开关元件与所述第二开关元件互补导通,所述第三开关元件与所述第四开关元件互补导通,使所述第一开关元件与所述第四开关元件的开通时间具有第一预设相位差,所述第二开关元件与所述第三开关元件的开通时间具有所述第一预设相位差;
调节所述第一预设相位差以控制所述电流的流向,减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差。
5.权利要求2所述的控制方法,其特征在于,所述在所述第一时间段内控制所述五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从所述五端口网络流入至所述第一节点或从所述第一节点流出至所述五端口网络,以减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差包括:
在所述第一时间段内控制所述第一开关元件与所述第二开关元件互补导通,所述第三开关元件与所述第四开关元件互补导通,使一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间大于所述第二开关元件的导通时间,所述第三开关元件的导通时间大于所述第四开关元件的导通时间,所述第一开关元件和所述第三开关元件至少重叠导通第二时间段,或者一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间小于所述第二开关元件的导通时间,所述第三开关元件的导通时间小于所述第四开关元件的导通时间,所述第二开关元件和所述第四开关元件至少重叠导通所述第二时间段;
调节所述第二时间段使得所述第一电容与所述第二电容上的电压差减小。
6.权利要求3所述的控制方法,其特征在于,所述在所述第一时间段内控制所述五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从所述五端口网络流入至所述第一节点或从所述第一节点流出至所述五端口网络,以减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差包括:
控制所述第一开关元件与所述第三开关元件互补导通,所述第二开关元件与所述第四开关元件互补导通,使一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间小于所述第三开关元件的导通时间,所述第四开关元件的导通时间小于所述第二开关元件的导通时间,所述第二开关元件和所述第三开关元件至少重叠导通第三时间段;
调节所述第三时间段使得所述第一电容与所述第二电容上的电压差减小。
7.如权利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述直流/直流变换器还包括第一无源网络和/或第二无源网络,所述第一无源网络耦接于所述第四节点、所述第五节点和所述变压器的原边绕组之间,所述第二无源网络耦接于所述变压器的副边绕组和所述二次侧电路之间。
8.如权利要求7所述的控制方法,其特征在于,所述第一无源网络和/或所述第二无源网络仅包括电容。
9.如权利要求7所述的控制方法,其特征在于,所述第一无源网络和/或所述第二无源网络包括电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络。
10.如权利要求1~9任一项所述的控制方法,其特征在于,所述二次侧电路包括第四桥臂、第五桥臂,所述第四桥臂包括耦接于第六节点的第五开关元件、第六开关元件,所述第五桥臂包括耦接于第七节点的第七开关元件、第八开关元件,所述第五开关元件与所述第七开关元件耦接,所述第六开关元件与第八元件耦接,所述第六节点、所述第七节点电连接于所述变压器的副边绕组;所述控制所述二次侧电路中多个开关管的开关状态使所述变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段包括:
在所述第一时间段内同时控制所述第五开关元件、所述第七开关元件开启,所述第六开关元件、所述第八开关元件关断;或者
在所述第一时间段内同时控制所述第六开关元件、所述第八开关元件开启,所述第五开关元件、所述第七开关元件关断。
11.如权利要求1~9任一项所述的控制方法,其特征在于,所述二次侧电路包括耦接的第五开关元件和第六开关元件,所述第五开关元件通过第六节点电连接于所述变压器的副边绕组的第一端,所述第六开关元件通过第七节点电连接于所述变压器的副边绕组的第二端,所述控制所述二次侧电路中多个开关管的开关状态使所述变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段包括:
在所述第一时间段内同时控制所述第五开关元件、所述第六开关元件导通。
12.如权利要求1~9任一项所述的控制方法,其特征在于,所述控制所述二次侧电路中多个开关管的开关状态使所述变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段包括:
根据所述第一电容和所述第二电容的电压差进行滞环控制或比例积分控制以确定所述第一时间段。
13.如权利要求1~9任一项所述的控制方法,其特征在于,还包括:
在所述负载小于所述预设值时,控制所述直流/直流变换器工作在打嗝模式,所述第一时间段存在于打嗝周期内。
14.如权利要求1~9任一项所述的控制方法,其特征在于,所述直流/直流变换器的前级包括交流/直流变换器,所述交流/直流变换器耦接于所述第一节点、所述第二节点和所述第三节点。
15.如权利要求1~9任一项所述的控制方法,其特征在于,所述直流/直流变换器为双向变换电路。
16.一种直流/直流变换器,其特征在于,包括:
第一电容,第一端耦接于第一节点,第二端耦接于第二节点;
第二电容,第一端耦接于所述第一节点,第二端耦接于第三节点;
五端口网络,第一端、第二端、第三端、第四端、第五端分别耦接于所述第一节点、所述第二节点、所述第三节点、第四节点、第五节点;
变压器,原边绕组电连接于与所述第四节点和所述第五节点;
二次侧电路,电连接于所述变压器的副边绕组;
控制模块,耦接于所述五端口网络和所述二次侧电路,用于在负载小于预设值时,控制所述二次侧电路中多个开关管的开关状态使所述变压器在停止能量传输阶段内短路至少第一时间段;在所述第一时间段内控制所述五端口网络中的多个开关管的开关状态使电流从所述五端口网络流入至所述第一节点或从所述第一节点流出至所述五端口网络,以减小所述第一电容与所述第二电容上的电压差。
17.如权利要求16所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述五端口网络包括:
第一桥臂,耦接在所述第一节点和所述第二节点之间,包括串联的第一开关元件和第二开关元件;
第二桥臂,耦接在所述第一节点和所述第三节点之间,包括串联的第三开关元件和第四开关元件。
18.如权利要求16所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述五端口网络包括:
第一桥臂,耦接在所述第二节点和所述第四节点之间,包括耦接于第八节点的第一开关元件和第二开关元件;
第二桥臂,耦接在所述第三节点和所述第四节点之间,包括耦接于第九节点的第三开关元件和第四开关元件;
第三桥臂,耦接在所述第八节点和所述第九节点之间,包括耦接于所述第五节点的第一二极管和第二二极管;
其中,所述第五节点耦接于所述第一节点。
19.如权利要求17所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述控制模块设置为:
在所述第一时间段内控制所述第一开关元件与所述第二开关元件互补导通,所述第三开关元件与所述第四开关元件互补导通,使所述第一开关元件与所述第四开关元件的开通时间具有第一预设相位差,所述第二开关元件与所述第三开关元件的开通时间具有所述第一预设相位差;
调节所述第一预设相位差使得所述第一电容与所述第二电容上的电压差减小。
20.如权利要求17所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述控制模块设置为:
在所述第一时间段内控制所述第一开关元件与所述第二开关元件互补导通,所述第三开关元件与所述第四开关元件互补导通,使一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间大于所述第二开关元件的导通时间,所述第三开关元件的导通时间大于所述第四开关元件的导通时间,所述第一开关元件和所述第三开关元件至少重叠导通第二时间段,或者一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间小于所述第二开关元件的导通时间,所述第三开关元件的导通时间小于所述第四开关元件的导通时间,所述第二开关元件和所述第四开关元件至少重叠导通所述第二时间段;
调节所述第二时间段使得所述第一电容与所述第二电容上的电压差减小。
21.如权利要求18所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述控制模块设置为:
控制所述第一开关元件与所述第三开关元件互补导通,所述第二开关元件与所述第四开关元件互补导通,使一个开关周期内所述第一开关元件的导通时间小于所述第三开关元件的导通时间,所述第四开关元件的导通时间小于所述第二开关元件的导通时间,所述第二开关元件和所述第三开关元件至少重叠导通第三时间段;
调节所述第三时间段使得所述第一电容与所述第二电容上的电压差减小。
22.如权利要求16所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述直流/直流变换器还包括第一无源网络和/或第二无源网络,所述第一无源网络耦接于所述第四节点、所述第五节点和所述变压器的原边绕组之间,所述第二无源网络耦接于所述变压器的副边绕组和所述二次侧电路之间。
23.如权利要求22所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述第一无源网络和/或所述第二无源网络仅包括电容。
24.如权利要求22所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述第一无源网络和/或所述第二无源网络包括电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络。
25.如权利要求16~24任一项所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述二次侧电路包括:
第四桥臂,包括耦接于第六节点的第五开关元件、第六开关元件;
第五桥臂,包括耦接于第七节点的第七开关元件、第八开关元件;
所述第五开关元件与所述第七开关元件耦接,所述第六开关元件与第八元件耦接,所述第六节点、所述第七节点电连接于所述变压器的副边绕组。
26.如权利要求25所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述控制模块设置为:
在所述第一时间段内同时控制所述第五开关元件、所述第七开关元件开启,所述第六开关元件、所述第八开关元件关断;
或者,在所述第一时间段内同时控制所述第六开关元件、所述第八开关元件开启,所述第五开关元件、所述第七开关元件关断。
27.如权利要求16~24任一项所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述二次侧电路包括:
第五开关元件,通过第六节点电连接于所述变压器的副边绕组的第一端;
第六开关元件,耦接于所述第五开关元件,通过第七节点电连接于所述变压器的副边绕组的第二端。
28.如权利要求27所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述控制模块设置为在所述第一时间段内同时控制所述第五开关元件、所述第六开关元件导通。
29.如权利要求16~24任一项所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述控制模块设置为根据所述第一电容和所述第二电容的电压差进行滞环控制或比例积分控制以确定所述第一时间段。
30.如权利要求16~24任一项所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述控制模块设置为在所述负载小于所述预设值时,控制所述直流/直流变换器工作在打嗝模式,所述第一时间段存在于打嗝周期内。
31.如权利要求16~24任一项所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述直流/直流变换器的前级包括交流/直流变换器,所述交流/直流变换器耦接于所述第一节点、所述第二节点和所述第三节点。
32.如权利要求16~24任一项所述的直流/直流变换器,其特征在于,所述直流/直流变换器为双向变换电路。
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