CN112117893B

CN112117893B - 提高两级多模块变换器效率的数量配置控制方法及装置

Info

Publication number: CN112117893B
Application number: CN202010734169.5A
Authority: CN
Inventors: 吴佳芮; 周昂扬; 王康平; 杨旭
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2040-07-27
Also published as: CN112117893A

Abstract

本发明公开了一种提高两级多模块变换器效率的数量配置控制方法及装置，包括：前级采用多个相同的LLC电源模块将输入电压升高到定值并将输出侧串联，后级采用多输入单输出BUCK电源模块，将前级输出电压送给后级BUCK电路作为输入电压组成主电路，每个LLC输出电压均为相同值的直流电压，串联形成中间母线电压其值大于后级输出电压，通过计算后级输出电压以及输出功率的大小；上位机通过CAN总线通信将指令传送给后级电源模块，后级电源模块进行参数配置，控制前级的启停状态和后级的工作占空比，从而减少前级LLC的电源模块工作个数增加工作模块的输出功率从而提高整机的效率。

Description

提高两级多模块变换器效率的数量配置控制方法及装置

技术领域

本发明电力电子技术领域，尤其涉及一种提升基于多模块级联形成的两级结构大功率电源效率的模块工作数量控制方法及装置。

背景技术

在各类电力电子设备中，高频开关电源作为供电系统发挥着重要的作用。随着科学技术的不断发展，对高频开关电源的体积、可靠性、效率、容量等提出了更加严格的要求，也使得高频开关电源技术不断朝着高频化、集成化、智能化等方向创新、发展。因此，研究高效、高可靠性的整流电源对工业生产具有重要的意义。模块化装备具有便于容量扩展、所占体积小且功率密度大、成本低、通用性好等优点，所以越来越广泛应用在生产生活中。

同时在面对大功率电源需要有高升压比、宽范围输出电压和电流、高输出功率的要求时，单个电路往往难以满足这些需求。模块化电源方案给大功率电推进电源的设计带来了新的思路，并能减少下一代电源开发时间和成本。面对这种高压大功率的需求时，采用模块电源级联的方式来解决这一问题。

级联问题虽然可以解决大功率输出以及输出电压宽范围的要求，但是也存在一定的缺点；如在输出功率较小是，多个模块同时工作在小功率输出的状况下，整机的效率将会大打折扣，除此之外应对宽范围输出的需求，往往在级联电路中有一级采用调压电路，而调压电路的效率直接跟工作时的占空比有很大关系，而在电路的设计过程中往往按电路的最大输出电压来设计电路参数，因此在小电压输出时，电源的工作效率极低。面对这些问题，需要通过一定的控制策略来解决。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于解决多模块级联电源在小功率输出以及小电压输出时效率较低的问题，提出一种提高两级多模块变换器效率的数量配置控制方法。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种提高两级多模块变换器效率的数量配置控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：根据后级BUCK电源模块不同的输出电压V_o以及输出功率P_o范围，计算前级LLC电源模块的工作数量n和后级BUCK电源模块的输入路数m；

步骤S2：后级BUCK电源模块根据前级LLC电源模块的工作数量n和前级LLC电源模块的输出电压V_{o_LLC}以及后级BUCK电源模块输出电压V_o，计算后级BUCK电源模块的工作占空比D；

步骤S3：对后级BUCK电源模块输出电压V_o进行采样，与上位机中的理想输出电压V_{o_reference}进行比较，误差经过电压环PID，得到调制比信号；

步骤S4：对于后级BUCK电源模块的输入路数m，三角载波依次移相360°/m，然后将调制比信号与三角载波进行比较，产生后级BUCK电源模块开关管的驱动信号；

步骤S5：取n＝n+1重复步骤S2～S4，计算整体电源在前级LLC电源模块的工作数量为n的情况下的效率P_n和n+1的情况下的效率P_n+1；

比较P_n与P_n+1的大小，若P_n>P_n+1，则前级LLC电源模块的工作数量配置为n；若P_n<P_n+1，取n＝n+2重复步骤S2～S4，计算整体电源在前级LLC电源模块的工作数量为n+2的情况下的效率P_n+2；

比较P_n+1与P_n+2的大小，若P_n+1>P_n+2，则前级LLC电源模块的工作数量配置为n+1；若P_n+1<P_n+2，继续增加n的值，直到n值等于前级LLC电源模块的总数量。

作为一种较佳的实施例，所述步骤S1给出了计算前级LLC电源模块工作数量n的计算公式。

作为一种较佳的实施例，所述步骤S1还给出了计算后级BUCK电源模块输入路数m的计算公式。

作为一种较佳的实施例，所述步骤S2给出了计算后级BUCK电源模块占空比D的计算公式。

进而，本发明实施例给出了一种提高两级多模块变换器效率的数量配置控制装置，包括前级LLC电源模块、后级BUCK电源模块和上位机；多个前级LLC电源模块输入侧并联，输出侧串联连接后级BUCK电源模块，后级BUCK电源模块连接上位机；

所述后级BUCK电源模块包括功率开关管MOSFET和二极管D，前级LLC电源模块输出侧串联后与后级BUCK电源模块的一个功率开关管MOSFET串联、与一个二极管D并联组成一个单元模块，将单元模块串联后与由电感L₀和电容C₀串联构成的LC滤波电路并联，LC串联输入滤波电路接负载R_L。

作为一种较佳的实施例，所述功率开关管MOSFET的漏端接前级LLC电源模块的输出端，功率开关管MOSFET的源端接二极管D的正极，各二极管D串联后并联在由电感L₀和电容C₀串联构成的LC滤波电路的两端，电容并联连接负载R_L。

作为一种较佳的实施例，将前级LLC电源模块的输出侧与N输入单输出的后级BUCK电源模块输入侧相连构成主电路；前级LLC电源模块的输入为任意值，前级LLC电源模块输出母线电压其值大于后级BUCK电源模块输出电压。

作为一种较佳的实施例，后级BUCK电源模块的输出侧电压为宽范围的直流电压，前级LLC电源模块采用电压环PI控制，后级BUCK电源模块采用电压环PID控制。

本发明与现有技术相比，具有以下的优点和有益效果：

本发明可以实现大功率电源宽范围输出，同时可以实现提升多模块电源级联输出小功率时的整机效率提升，可以降低电源模块上的损耗。相比于以前的控制方式，该控制方法不仅能够实现多模块电源级联时大功率的输出，同时可以实现宽输出电压范围，在整机电源输出小电压和小功率时能控制模块电源的工作状态，降低模块上的损耗，使得整机电源在整个输出范围内工作在高效率的状态下。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明所述的多模块级联电源变换器主功率电路的电路图；

图2为本发明所述的电源模块通信连接示意图；

图3为输出25A，各配置策略效率曲线图；

图4为工作模块个数配置策略与输出电压、电流范围的关系图；

图5为3输入BUCK变换器的理论计算效率图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参考附图1、图2所示，本发明的提高两级多模块变换器效率的数量配置装置，包括前级LLC电源模块、后级BUCK电源模块和上位机；多个前级LLC电源模块输入侧并联，输出侧串联连接后级BUCK电源模块，后级BUCK电源模块连接上位机。其中，后级BUCK电源模块包括功率开关管MOSFET和二极管D，前级LLC电源模块输出侧串联后与后级BUCK电源模块的一个功率开关管MOSFET串联、与一个二极管D并联组成一个单元模块，将单元模块串联后与由电感L₀和电容C₀串联构成的LC滤波电路并联，LC串联输入滤波电路接负载R_L。功率开关管MOSFET的漏端接前级LLC电源模块的输出端，功率开关管MOSFET的源端接二极管D的正极，各二极管D串联后并联在由电感L₀和电容C₀串联构成的LC滤波电路的电容两端，电容并联连接负载R_L。

将前级LLC模块控制器上的CANTXB和CANRXB通过CAN通信芯片与一个二端口座子相连，端口分别为CANHB和CANLB；将所有前级LLC电源模块的CANHB和CANLB用两根导线分别连接在一起；将后级BUCK电源模块控制器上的CANTXB和CANRXB，CANTXA和CANRXA，分别通过两块CAN通信芯片与两个二端口座子相连，端口分别为CANHB和CANLB，CANHA和CANLA；将连接所有前级LLC电源模块的CANHB导线与后级BUCK电源模块的CANHB相连；将连接所有前级LLC电源模块的CANLB导线与后级BUCK电源模块的CANLB相连；将后级BUCK电源模块的CANHA和CANLA分别与上位机的CANHA和CANLA相连。得到如图2所示的通信连接示意图；

将前级LLC电源模块的输出侧与N输入单输出的后级BUCK电源模块输入侧相连构成主电路；将各电源模块之间、电源主机和上位机之间通过CAN总线连接，前级LLC电源模块的输入为任意值，前级LLC电源模块输出母线电压其值大于后级BUCK电源模块输出电压。后级BUCK电源模块的输出侧电压为宽范围的直流电压，前级LLC电源模块采用电压环PI控制，后级BUCK电源模块采用电压环PID控制。

具体的，图1为两级多模块级联大功率电源的主功率电路，应用的两级多模块级联大功率电源的主功率电路部分由七个电路电源模块组成两级结构：输入侧为六个升压DC/DC模块，采用的拓扑为LLC电路，单个LLC电源模块的输入为100V输出为333.3V，输出功率为8.33kW输入侧将六个LLC电源模块并联。后级为三输入单输出BUCK电源模块，将前级LLC电源模块的两路输出串联送给后级BUCK电源模块的一路输入，因此中间母线电压最大为2000V，要求输出电压最小值为300V，输出电压最大值为2000V，最大输出功率50kW。

计算在不同输出电压值以及输出功率下所需要的前级LLC电源模块的数量，将计算结果编程写入控制器中；在上位机中输入需要的输出电压值以及输出功率，上位机通过CAN总线通信将指令传送给主机，主机根据指令进行前级LLC电源模块的参数配置，控制前级LLC电源模块的个数，主机根据输出电压以及所配置的前级LLC电源模块工作模块数量计算后级BUCK电源模块的占空比，控制输出电压达到理想值。

本发明的实现过程包括以下步骤：

计算前级LLC电源模块工作数量n的计算公式为：

n＝max(n₁,n₂) (3)

式中：P_{O_LLC}为单个LLC电源模块的输出功率；INT()—为取整函数。

计算后级BUCK电源模块输入路数m的计算公式为：

m＝min(n',N) (4)

式中：n’为前级LLC电源模块工作数量n能被小于N整除的质数的最小值；N为后级BUCK电源模块的输入端口数。

计算后级BUCK电源模块占空比D的计算公式为：

下面通过具体是实施例来进一步说明本发明。

对LLC模块的配置数进行计算，其具体步骤如下：

1)当输出电压小于333V，输出功率小于8.3kW时

n＝max(n₁,n₂)＝1 (13)

m＝min(n',N)＝1 (14)

2)当输出电压小于333V，输出功率大于8.3kW小于16.6kW时

n＝max(n₁,n₂)＝2 (17)

m＝min(n',N)＝2 (18)

按照相同的步骤得到工作模块个数配置表如表1所示。

表1工作模块个数配置表

但是在部分区域不满足输出电压纹波要求。例如，“前级工作4个模块，后级输入2路”的配置策略下，输出电压纹波率存在不满足设计要求(≤2％)的区域，这是由于后级输入路数减少，等效开关频率降低所引起的。故需根据输出电压纹波指标对配置策略进行进一步修正。将不满足设计要求的区域向上设定为“前级工作6个模块，后级输入3路”的配置策略。在配置过程中并未采用5个LLC电源模块工作的情况，是因为前级LLC电源模块在输出功率小于5kW时，前级效率随模块输出功率的增大而增大；但是输出功率大于5kW时，前级效率受输出功率的影响较小，因此在大于30kW的功率输出要求时，均采用前级6个模块的配置策略。计算完配置策略之后，将配置策略编写成程序，存入控制器方便后续控制时调用。

在输出电流为25A时，计算各种配置策略下的效率曲线。

1)当输出电压小于333.3V时

n＝max(n₁,n₂)＝1 (21)

m＝min(n',N)＝1 (22)

2)当输出电压大于333.3V小于666.6V时

n＝max(n₁,n₂)＝2 (25)

m＝min(n',N)＝2 (26)

3)当输出电压大于666.6V小于1000V时

n＝max(n₁,n₂)＝3 (29)

m＝min(n',N)＝3 (30)

4)当输出电压大于1000V小于1333.3V时

n＝max(n₁,n₂)＝4 (33)

m＝min(n',N)＝2 (34)

5)当输出电压大于1333.3V小于2000V时

n＝max(n₁,n₂)＝6 (37)

m＝min(n',N)＝3 (38)

得到输出25A时，不同输出电压以及输出功率下的配置策略，计算在相应的配置数下的前级LLC电源模块的总效率如图3所示。通过效率曲线可明显发现在小电压以及小功率输出时，前级LLC电源模块的工作数量越小，前级的整体效率越高。

以输出电压为自变量，得到不同配置下的输出电流范围与输出电压的关系，其计算方法如下：

1)当n＝1，m＝1时，输出电压最大值为333.3V，输出功率最大值为8.33kW

2)当n＝2，m＝2时，输出电压最大值为666.6V，输出功率最大值为16.66kW

通过相同的方式得到另外三种配置模式下的输出电压以及输出电流的关系如图4所示。计算出在不同配置策略下后级BUCK电源模块的效率如图5所示。后级BUCK电源模块即使在小电压输出的情况下仍然有较高的效率。

以20kW，600V输出为例说明配置过程的具体步骤，在上位机中输出指令Po＝20000，Vo＝600。上位机在得到输入指令之后，将输出功率以及输出电压的值送到主机后级BUCK电源模块，然后后级BUCK电源模块进行前级工作数量的计算以及后级BUCK电源模块的输入通道计算，得到前级工作数为3，后级输入通道数为3。于是后级BUCK电源模块发送指令给101、102、103控制三个模块工作，发送指令给104、105、106关闭。同时计算后级BUCK电源模块的理论占空比，计算方法如下：

BUCK控制器按计算的占空比输出PWM波。

利用输出采样电路对后级BUCK电源模块输出电压进行采样，将采样结果送到后级BUCK电源模块的控制其中，与上位机输入的输出电压进行比较，计算误差然后经过电压环PID，得到调制比信号，然后将得到的调制比信号与相位相差60°的三角载波进行比较，产生后级BUCK电源模块开关管的驱动信号将后级电压调整至600V输出。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种提高两级多模块变换器效率的数量配置控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的提高两级多模块变换器效率的数量配置控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，计算前级LLC电源模块工作数量n的计算公式为：

n＝max(n₁,n₂) (3)

式中：P_{O_LLC}为单个前级LLC电源模块的输出功率；INT()—为取整函数。

3.根据权利要求1所述的提高两级多模块变换器效率的数量配置控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，计算后级BUCK电源模块输入路数m的计算公式为：

m＝min(n',N) (4)

4.根据权利要求1所述的提高两级多模块变换器效率的数量配置控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，计算后级BUCK电源模块占空比D的计算公式为：

5.一种基于权利要求1-4任一项所述方法的提高两级多模块变换器效率的数量配置控制装置，其特征在于，包括前级LLC电源模块、后级BUCK电源模块和上位机；多个前级LLC电源模块输入侧并联，输出侧串联连接后级BUCK电源模块，后级BUCK电源模块连接上位机；

6.根据权利要求5所述的提高两级多模块变换器效率的数量配置控制装置，其特征在于，所述功率开关管MOSFET的漏端接前级LLC电源模块的输出端，功率开关管MOSFET的源端接二极管D的正极，各二极管D串联后并联在由电感L₀和电容C₀串联构成的LC滤波电路的两端，电容并联连接负载R_L。

7.根据权利要求5所述的提高两级多模块变换器效率的数量配置控制装置，其特征在于，将前级LLC电源模块的输出侧与N输入单输出的后级BUCK电源模块输入侧相连构成主电路；前级LLC电源模块的输入为任意值，前级LLC电源模块输出母线电压其值大于后级BUCK电源模块输出电压。

8.根据权利要求5所述的提高两级多模块变换器效率的数量配置控制装置，其特征在于，后级BUCK电源模块的输出侧电压为宽范围的直流电压，前级LLC电源模块采用电压环PI控制，后级BUCK电源模块采用电压环PID控制。