CN111756250B - 抑制高频全桥dc/dc变换器中变压器偏磁的控制方法 - Google Patents

抑制高频全桥dc/dc变换器中变压器偏磁的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及变压器偏磁抑制方法，具体为抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法。解决现有抑制方法存在的缺陷和问题。本发明的控制方法选择更优的电流采样时刻，以及对采样电流数据进行相应的处理，滤掉了采样带来的误差，更适合强干扰的高频DC/DC应用场合。在每一个开关周期内均判断是否发生偏磁现象；若发生偏磁现象，可直接通过偏磁抑制控制器输出控制量进行抑制，该方法更加适合负载频繁切换的高频DC/DC应用场合。该方法控制简单、偏磁抑制响应迅速，控制系统鲁棒性好。

Description

抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法
技术领域
本发明涉及变压器偏磁抑制方法，具体为抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法。
背景技术
全桥变换电路拓扑是目前国内外DC/DC变换器中最常用的电路拓扑之一，在中大功率应用场合更是首选拓扑；全桥电路拓扑如图1所示。
此类变换器中普遍存在变压器的偏磁现象问题。造成直流偏磁的原因有：①逆变器中两个桥臂各管导通时饱和压降不同，关断时间不一致，使得加在变压器原边的电压正负波形幅值不等。②控制电路输出的驱动脉冲正负半周不对称。③动态调整过程中正负周脉冲不一致。
当偏磁严重时会导致变压器磁芯单向饱和，致使原边绕组瞬间过流，损毁功率器件。因此在各种全桥PWM变换器中，无论是采用硬开关方式还是软开关方式，无论是数字控制器控制还是用模拟芯片控制都必须采取相应的偏磁抑制措施，来保证变压器始终处于对称平衡运行状。
专利号为201710348750.1的中国专利公开了一种“抑制与全桥逆变器配合的变压器偏磁的方法”。该抑制方法，若负载频繁切换，在动态调节过程中，变压器原边电流正向与负向采样值本来就不相等的，直接采用该方法反而容易引起控制震荡，导致变压器原边过流，甚至导致变压器偏磁。同时在开关器件关断时采样，采样电路容易受到干扰，控制效果会更差。
发明内容
本发明解决现有抑制方法存在的缺陷和问题，提供一种抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法。该方法控制简单、偏磁抑制响应迅速，控制系统鲁棒性好。
本发明是采用如下技术方案实现的：抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法，是由如下步骤实现的：
步骤一：全桥逆变器的脉冲采用数字控制芯片生成；数字控制芯片计数模式配置成增减计数模式，使其产生对称的PWM脉冲；
步骤二：变压器原边电流传感器TA1与变压器副边电流传感器TA2采样时刻都选择在数字控制芯片的时间基准计数值CTR与周期寄存器PRD相等的时刻，即CTR＝PRD时进行采样；数字控制芯片产生的PWM脉冲相对该采样时刻对称；
步骤三：定义两个数据长度为a的数组P[a]、N[a]；每次当对角开关器件Q1/Q3导通时的变压器原边电流传感器TA1采样值IP原，经过滤波器滤波后，按照堆栈先进先出的原则，将采样数据依次存入P[a]；每次当开关器件Q1/Q3导通时变压器副边电流传感器TA2采样值IP副经过滤波器滤波后实时覆盖更新；
每次当对角开关器件Q2/Q4导通时的变压器原边电流传感器TA1采样值IN原，经过滤波器滤波后，按照堆栈先进先出的原则，将采样数据依次存入N[a]；每次当开关器件Q2/Q4导通时变压器副边电流传感器TA2采样值IN副经过滤波器滤波后实时覆盖更新；
步骤四：实时计算用于控制的正向电流采样值IP原+，计算公式：
Figure BDA0002517394520000021
实时计算用于控制的负向电流采样值IN原-，计算公式：
Figure BDA0002517394520000022
步骤五：实时计算并判断不等式n·IP原+-IP副＞A及n·IN原--IN副＞A是否成立，n为变压器的变比；A为判断是否发生偏磁的阈值，A的大小根据变压器设计的余量而定，或者根据电流传感器TA1、TA2采样精度及采样误差而定。若n·IP原+-IP副＞A或n·IN原--IN副＞A至少有一个成立则判定发生了偏磁，此时令偏磁标志Flag＝1，否则，判定未发生偏磁，令偏磁标志Flag＝0；
步骤六：当Flag＝1时，即发生偏磁时，控制策略按照外环给定与外环反馈做差后，经过PI控制器1的计算；PI控制器1的计算结果作为电流内环的给定，分别与步骤四中得到的IP原+及IN原-做差,再分别经过PI控制器2与PI控制器3的计算，计算结果分别记做PI2与PI3；n为变压器的变比；(n·IP原+-IP副)与0做差后经过PI控制器4计算，计算结果记做PI4；(n·IN原--IN副)与0做差后经过PI控制器5计算，计算结果记做PI5；PI2与PI4相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q1/Q3的开关脉冲；PI3与PI5相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q2/Q4的开关脉冲；其中PI控制器2与PI控制器3的控制参数相同，PI控制器4与PI控制器5的控制参数相同；通过PI控制器4与PI控制器5的偏磁抑制环节计算结果的作用，可以极大地增强系统抑制变压器偏磁的响应速度；
当Flag＝0时，即未发生偏磁时，始终令PI控制器4的计算结果PI4＝0,PI控制器5的计算结果PI5＝0；控制策略与Flag＝1发生偏磁时相同，即外环给定与外环反馈做差后，经过PI控制器1的计算；PI控制器1的计算结果作为电流内环的给定，分别与步骤四中得到的IP原+及IN原-做差,再分别经过PI控制器2与PI控制器3的计算，计算结果分别记做PI2与PI3；n为变压器的变比；(n·IP原+-IP副)与0做差后经过PI控制器4计算，计算结果记做PI4；(n·IN原--IN副)与0做差后经过PI控制器5计算，计算结果记做PI5；PI2与PI4相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q1/Q3的开关脉冲；PI3与PI5相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q2/Q4的开关脉冲；其中PI控制器2与PI控制器3的控制参数相同，PI控制器4与PI控制器5的控制参数相同。
本发明的有益效果是：
1、选择更优的电流采样时刻，以及对采样电流数据进行相应的处理，滤掉了采样带来的误差，更适合强干扰的高频DC/DC应用场合。
2、在每一个开关周期内均判断是否发生偏磁现象；若发生偏磁现象，可直接通过偏磁抑制控制器输出控制量进行抑制，该方法更加适合负载频繁切换的高频DC/DC应用场合。
3、该方法控制简单、偏磁抑制响应迅速，控制系统鲁棒性好。
附图说明
图1为全桥变换电路拓扑图；
图2为数字控制芯片产生的对称的PWM脉冲示意图；
图3为本发明控制策略示意图。
具体实施方式
抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法，是由如下步骤实现的：
步骤一：全桥逆变器的脉冲采用数字控制芯片生成；数字控制芯片计数模式配置成增减计数模式，使其产生对称的PWM脉冲；
步骤二：变压器原边电流传感器TA1与变压器副边电流传感器TA2采样时刻都选择在数字控制芯片的时间基准计数值CTR与周期寄存器PRD相等的时刻，即CTR＝PRD时进行采样；数字控制芯片产生的PWM脉冲相对该采样时刻对称；如图2所示
步骤三：定义两个数据长度为a的数组P[a]、N[a]；每次当对角开关器件Q1/Q3导通时的变压器原边电流传感器TA1采样值IP原，经过滤波器滤波后，按照堆栈先进先出的原则，将采样数据依次存入P[a]；每次当开关器件Q1/Q3导通时变压器副边电流传感器TA2采样值IP副经过滤波器滤波后实时覆盖更新；
每次当对角开关器件Q2/Q4导通时的变压器原边电流传感器TA1采样值IN原，经过滤波器滤波后，按照堆栈先进先出的原则，将采样数据依次存入N[a]；每次当开关器件Q2/Q4导通时变压器副边电流传感器TA2采样值IN副经过滤波器滤波后实时覆盖更新；
步骤四：实时计算用于控制的正向电流采样值IP原+，计算公式：
Figure BDA0002517394520000041
实时计算用于控制的负向电流采样值IN原-，计算公式：
Figure BDA0002517394520000042
步骤五：实时计算并判断不等式n·IP原+-IP副＞A及n·IN原--IN副＞A是否成立，n为变压器的变比；A为判断是否发生偏磁的阈值，A的大小根据变压器设计的余量而定，或者根据电流传感器TA1、TA2采样精度及采样误差而定。。
若n·IP原+-IP副＞A或n·IN原--IN副＞A至少有一个成立则判定发生了偏磁，此时令偏磁标志Flag＝1，否则，判定未发生偏磁，令偏磁标志Flag＝0；
步骤六：当Flag＝1时，即发生偏磁时，控制策略按照外环给定与外环反馈做差后，经过PI控制器1的计算；PI控制器1的计算结果作为电流内环的给定，分别与步骤四中得到的IP原+及IN原-做差,再分别经过PI控制器2与PI控制器3的计算，计算结果分别记做PI2与PI3；n为变压器的变比；(n·IP原+-IP副)与0做差后经过PI控制器4计算，计算结果记做PI4；(n·IN原--IN副)与0做差后经过PI控制器5计算，计算结果记做PI5；PI2与PI4相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q1/Q3的开关脉冲；PI3与PI5相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q2/Q4的开关脉冲；其中PI控制器2与PI控制器3的控制参数相同，PI控制器4与PI控制器5的控制参数相同；通过PI控制器4与PI控制器5的偏磁抑制环节计算结果的作用，可以极大地增强系统抑制变压器偏磁的响应速度；
当Flag＝0时，即未发生偏磁时，始终令PI控制器4的计算结果PI4＝0,PI控制器5的计算结果PI5＝0；控制策略与Flag＝1发生偏磁时相同，即外环给定与外环反馈做差后，经过PI控制器1的计算；PI控制器1的计算结果作为电流内环的给定，分别与步骤四中得到的IP原+及IN原-做差,再分别经过PI控制器2与PI控制器3的计算，计算结果分别记做PI2与PI3；n为变压器的变比；(n·IP原+-IP副)与0做差后经过PI控制器4计算，计算结果记做PI4；(n·IN原--IN副)与0做差后经过PI控制器5计算，计算结果记做PI5；PI2与PI4相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q1/Q3的开关脉冲；PI3与PI5相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q2/Q4的开关脉冲；其中PI控制器2与PI控制器3的控制参数相同，PI控制器4与PI控制器5的控制参数相同。
具体实施时，步骤三中，对采样值IP原和采样值IN原进行滤波的滤波器，是滤波截止频率为2倍开关器件开关频率的一阶低通滤波器。对采样值IP副和采样值IN副进行滤波的滤波器，是滤波截止频率为5倍开关器件开关频率的一阶低通滤波器。步骤五中，判断是否发生偏差磁的保护阈值A＝8。步骤一中的数字控制芯片为DSP或者FPGA；步骤三中数据长度a等于5；变压器的变比n为5.3倍。

Claims (8)

1.一种抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法，其特征在于，是由如下步骤实现的：
步骤一：全桥逆变器的脉冲采用数字控制芯片生成；数字控制芯片计数模式配置成增减计数模式，使其产生对称的PWM脉冲；
步骤二：变压器原边电流传感器TA1与变压器副边电流传感器TA2采样时刻都选择在数字控制芯片的时间基准计数值CTR与周期寄存器PRD相等的时刻，即CTR＝PRD时进行采样；数字控制芯片产生的PWM脉冲相对该采样时刻对称；
步骤三：定义两个数据长度为a的数组P[a]、N[a]；每次当对角开关器件Q1/Q3导通时的变压器原边电流传感器TA1采样值IP原，经过滤波器滤波后，按照堆栈先进先出的原则，将采样数据依次存入P[a]；每次当开关器件Q1/Q3导通时变压器副边电流传感器TA2采样值IP副经过滤波器滤波后实时覆盖更新；
每次当对角开关器件Q2/Q4导通时的变压器原边电流传感器TA1采样值IN原，经过滤波器滤波后，按照堆栈先进先出的原则，将采样数据依次存入N[a]；每次当开关器件Q2/Q4导通时变压器副边电流传感器TA2采样值IN副经过滤波器滤波后实时覆盖更新；
步骤四：实时计算用于控制的正向电流采样值IP原+，计算公式：
Figure FDA0002517394510000011
实时计算用于控制的负向电流采样值IN原-，计算公式：
Figure FDA0002517394510000012
步骤五：实时计算并判断不等式n·IP原+-IP副＞A及n·IN原--IN副＞A是否成立，n为变压器的变比；A为判断是否发生偏磁的阈值，A的大小根据变压器设计的余量而定，或者根据电流传感器TA1、TA2采样精度及采样误差而定；
若n·IP原+-IP副＞A或n·IN原--IN副＞A至少有一个成立则判定发生了偏磁，此时令偏磁标志Flag＝1，否则，判定未发生偏磁，令偏磁标志Flag＝0；
步骤六：当Flag＝1时，即发生偏磁时，控制策略按照外环给定与外环反馈做差后，经过PI控制器1的计算；PI控制器1的计算结果作为电流内环的给定，分别与步骤四中得到的IP原+及IN原-做差,再分别经过PI控制器2与PI控制器3的计算，计算结果分别记做PI2与PI3；n为变压器的变比；(n·IP原+-IP副)与0做差后经过PI控制器4计算，计算结果记做PI4；(n·IN原--IN副)与0做差后经过PI控制器5计算，计算结果记做PI5；PI2与PI4相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q1/Q3的开关脉冲；PI3与PI5相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q2/Q4的开关脉冲；其中PI控制器2与PI控制器3的控制参数相同，PI控制器4与PI控制器5的控制参数相同；通过PI控制器4与PI控制器5的偏磁抑制环节计算结果的作用，可以极大地增强系统抑制变压器偏磁的响应速度；
当Flag＝0时，即未发生偏磁时，始终令PI控制器4的计算结果PI4＝0,PI控制器5的计算结果PI5＝0；控制策略与Flag＝1发生偏磁时相同，即外环给定与外环反馈做差后，经过PI控制器1的计算；PI控制器1的计算结果作为电流内环的给定，分别与步骤四中得到的IP原+及IN原-做差,再分别经过PI控制器2与PI控制器3的计算，计算结果分别记做PI2与PI3；n为变压器的变比；(n·IP原+-IP副)与0做差后经过PI控制器4计算，计算结果记做PI4；(n·IN原--IN副)与0做差后经过PI控制器5计算，计算结果记做PI5；PI2与PI4相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q1/Q3的开关脉冲；PI3与PI5相加的结果通过数字控制芯片的计算,生成相应的比较值，比较值在数字控制芯片内部通过比较单元与三角载波比较后生成逆变器对角开关器件Q2/Q4的开关脉冲；其中PI控制器2与PI控制器3的控制参数相同，PI控制器4与PI控制器5的控制参数相同。
2.根据权利要求1所述的抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法，其特征在于，步骤三中，对采样值IP原和采样值IN原进行滤波的滤波器，是滤波截止频率为2倍开关器件开关频率的一阶低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法，其特征在于，对采样值IP副和采样值IN副进行滤波的滤波器，是滤波截止频率为5倍开关器件开关频率的一阶低通滤波器。
4.根据权利要求1或2或3所述的抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法，其特征在于，步骤一中的数字控制芯片为DSP或者FPGA。
5.根据权利要求1或2或3所述的抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法，其特征在于，步骤三中数据长度a等于5。
6.根据权利要求4所述的抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法，其特征在于，步骤三中数据长度a等于5。
7.根据权利要求6所述的抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法，其特征在于，变压器的变比n为5.3倍。
8.根据权利要求1所述的抑制高频全桥DC/DC变换器中变压器偏磁的控制方法，其特征在于，步骤五中，判断是否发生偏差磁的阈值A＝8。
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