CN112928907B - 一种多电平双向dc-dc变换器启动控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多电平双向DC‑DC变换器启动控制方法及系统，属于直流‑直流变换领域，方法包括：高压侧启动时，断开开关管SN、SN+1、S3N、S3N+1，开通其余开关管，k从N‑1逐次递减至1，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时断开其连接的开关管；低压侧启动时，断开SN+1和S3N，开通其余开关管，k从N‑1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时断开S2N‑k+1和S2N+k，直至C2k+1或C2k+2的电压达到低压侧电压的1/2，将Sk+1至SN、SN+1至S2N‑k、S2N+k+1至S3N、S3N+1至S4N‑k划分为四组并进行PWM调制，k继续逐次递减至1，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时将其连接的开关管添加至四组开关管中。在多电平双向DC‑DC变换器启动时控制飞跨电容电压，保持开关管电压应力平衡，避免故障，并且双侧均能安全启动。

Description

一种多电平双向DC-DC变换器启动控制方法及系统
技术领域
本发明属于直流-直流变换领域，更具体地，涉及一种多电平双向DC-DC变换器启动控制方法及系统。
背景技术
双向DC/DC变换器是一种对直流电源进行变换的电路，其输入输出电压均为直流。多电平变换器由于其诸多优点逐渐受到人们的青睐。多电平变换器存在二极管钳位型多电平变换器，单元级联型多电平变换器，飞跨电容型多电平变换器等多种结构。其中，飞跨电容型多电平变换器中开关器件数量少，易于扩展到更高电平变换器。但是，飞跨电容型多电平变换器在应用中必须保证飞跨电容电压的平衡，使各个开关管电压应力均匀，避免开关管和设备损坏。
在多电平飞跨电容变换器启动前，需要对变换器内部飞跨电容进行预充电，否则，在变换器启动时，变换器中部分开关管电压应力过高或瞬间冲击电流过大会导致开关管的损坏，在变换器启动过程中同样需要控制飞跨电容电压。此外，双向DC/DC变换器既存在从高压侧启动的应用场合，也存在从低压侧启动的应用场合，两种启动模式下的操作过程并不相同，对启动控制提出了更高的要求。
对于单侧启动的场合，目前可以利用辅助直流电源，利用RCD缓冲电路中的电阻，附加电容充电回路等方式对飞跨电容多电平变换器进行预充电与启动。但利用辅助直流电源会降低设备利用率；在RCD电路中，缓冲电路产生的额外损耗会降低变换器整体效率；附加电容充电回路增加了器件的数量，降低器件利用率，对成本和功率密度造成不利影响。因此，如何高效，简单，可靠地对飞跨电容型多电平变换器的预充电和启动是本领域技术人员关心的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种多电平双向DC-DC变换器启动控制方法及系统，其目的在于在多电平双向DC-DC变换器启动时控制飞跨电容电压，保持开关管电压应力平衡，避免故障，并且保证双侧均能安全启动。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多电平双向DC-DC变换器启动控制方法，所述变换器包括依次连接在高压侧正、负极之间的4N个开关管S1～S4N，N≥2，Sk、Sk+1连接点与S2N-k、S2N-k+1连接点之间跨接电容C2k+1，S2N+k、S2N+k+1连接点与S4N-k、S4N-k+1连接点之间跨接电容C2k+2，电容C2k+1和电容C2k+2的电容值相等，即C2k+1＝C2k+2，k为1与N-1之间的任意整数，方法包括：S1，获取启动方式，若为高压侧启动，执行S2，若为低压侧启动，执行S3-S4；S2，断开低压侧正、负极连接的开关管SN、SN+1、S3N和S3N+1，开通其余开关管，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1，直至断开所有开关管；S3，断开低压侧正、负极连接的开关管SN+1和S3N，开通其余开关管，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管S2N-k+1和S2N+k，直至C2k+1或C2k+2的电压达到低压侧电压的1/2；S4，将开关管Sk+1至SN、SN+1至S2N-k、S2N+k+1至S3N、S3N+1至S4N-k划分为四组开关管并进行PWM调制，其余开关管保持导通，k继续逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，将C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1分别添加至所述四组开关管中，直至所有开关管均添加至所述四组开关管中。
更进一步地，高压侧正、负极之间依次连接有电容C1和C2，高压侧依次通过高压侧开关SW2和高压侧预充电单元接入高压侧电压，低压侧依次通过低压侧开关SW4和低压侧预充电单元接入低压侧电压，所述高压侧预充电单元包括并联的开关SW1和电阻Rs1，所述低压侧预充电单元包括并联的开关SW3和电阻Rs2。
更进一步地，所述S2包括：S21，断开SW1、SW2和SW4，接通SW3，断开SN、SN+1、S3N和S3N+1，开通其余开关管后闭合SW2；S22，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1，直至断开所有开关管；S23，当C1或C2的电压达到相应设定值时，接通SW1和SW4。
更进一步地，所述S3包括：S31，断开SW2、SW3和SW4，接通SW1，断开SN+1和S3N，开通其余开关管后闭合SW4；S32，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管S2N-k+1和S2N+k，直至C2k+1或C2k+2的电压达到低压侧电压的1/2时闭合SW3。
更进一步地，所述S4中所有开关管均添加至所述四组开关管中之后还包括：当C1或C2的电压达到相应设定值时，接通SW2。
更进一步地，SN和SN+1通过电感L连接低压侧正极，所述S4中PWM调制包括：分别采集C1和C2两端的电压vc1和vc2，以及采集流过L的电流iL；基于vc1、vc2、输出电压给定值和iL，利用PI控制器计算四组开关管的占空比；基于vc1和vc2之差计算比例控制下各组开关管对应的移相比；基于所述占空比和移相比生成四组PWM信号并分别发送给相应各组开关管。
更进一步地，所述基于vc1、vc2、输出电压给定值和iL，利用PI控制器计算四组开关管的占空比，包括：将vc1与vc2之和减去所述输出电压给定值，将相减结果输入电压PI控制器，经过限幅处理后得到电感电流给定值；将所述电感电流给定值与iL之间的差值输入电流PI控制器，经过限幅处理后得到所述占空比。
更进一步地，所述电感电流给定值和占空比分别为：
iLref＝kpv(vc1+vc2-voref)+kiv∫(vc1+vc2-voref)dt
D＝kpi(iL-iLref)+kii∫(iL-iLref)dt
其中，iLref为所述电感电流给定值，D为所述占空比，voref为输出电压给定值，kpv为电压PI控制器比例系数，kiv为电压PI控制器积分系数，kpi为电流PI控制器比例系数，kii为电流PI控制器积分系数。
按照本发明的另一个方面，提供了一种多电平双向DC-DC变换器启动控制系统，所述变换器包括依次连接在高压侧正、负极之间的4N个开关管S1～S4N，N≥2，Sk、Sk+1连接点与S2N-k、S2N-k+1连接点之间跨接电容C2k+1，S2N+k、S2N+k+1连接点与S4N-k、S4N-k+1连接点之间跨接电容C2k+2，电容C2k+1和电容C2k+2的电容值相等，即C2k+1＝C2k+2，k为1与N-1之间的任意整数，系统包括：获取及判断模块，用于获取启动方式，若为高压侧启动，执行高压侧启动模块，若为低压侧启动，执行低压侧启动模块；高压侧启动模块，用于断开低压侧正、负极连接的四个开关管SN、SN+1、S3N和S3N+1，开通其余开关管，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1，直至断开所有开关管；低压侧启动模块，用于断开低压侧正、负极连接的开关管SN+1和S3N，开通其余开关管，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管S2N-k+1和S2N+k，直至C2k+1或C2k+2的电压达到低压侧电压的1/2；将开关管Sk+1至SN、SN+1至S2N-k、S2N+k+1至S3N、S3N+1至S4N-k划分为四组开关管并进行PWM调制，其余开关管保持导通，k继续逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，将C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1分别添加至所述四组开关管中，直至所有开关管均添加至所述四组开关管中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：针对多电平DC/DC变换器，提出了一种通用的控制方法，能够保证变换器从高压侧或低压侧均能安全启动；此外，在变换器启动过程中，控制飞跨电容电压，电容能够平衡升压，不受电感电流影响，保证启动的可靠性，并且各个开关管电压应力始终不会超过开关管正常工作时的额定电压应力，保证了启动的安全性；在变换器启动过程中，电容充电电流可控，降低启动时的冲击电流，保证了启动的安全性；在变换器启动过程完成后，各个电容电压均在正常工作电压下，保证了后续工作的安全性；控制方法简单有效，易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多电平双向DC-DC变换器启动控制方法的流程图；
图2为2N+1电平双向DC-DC变换器的结构示意图；
图3A-3C为图2所示变换器高压侧启动时依次在各执行状态下的结构示意图；
图4A-4E为图2所示变换器低压侧启动时依次在各执行状态下的结构示意图；
图5为五电平双向DC-DC变换器的结构示意图；
图6A-6B为图5所示变换器高压侧启动时依次在各执行状态下的结构示意图；
图7A-7E为图5所示变换器低压侧启动时依次在各执行状态下的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的变换器低压侧启动时的PWM波形示意图；
图9为本发明实施例提供的变换器高压侧电压为320V时，从高压侧启动的过程图；
图10为本发明实施例提供的变换器低压侧电压为200V时，从低压侧启动的过程图；
图11为本发明实施例提供的变换器低压侧电压为120V时，从低压侧启动的过程图。
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，此处所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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的多电平双向DC-DC变换器启动控制方法(以下简称为启动控制方法)的流程图。参阅图1，结合图2-图11，对本实施例中的启动控制方法进行详细说明。
参阅图2，多电平(2N+1电平)双向DC-DC变换器包括依次连接在高压侧正、负极之间的4N个开关管S1～S4N，N≥2。第N个开关管SN和第N+1个开关管SN+1的连接点通过滤波电感L连接至低压侧正极；第3N个开关管S3N和第3N+1个开关管S3N+1的连接点连接至低压侧负极。开关管Sk、Sk+1连接点与S2N-k、S2N-k+1连接点之间跨接电容C2k+1，开关管S2N+k、S2N+k+1连接点与S4N-k、S4N-k+1连接点之间跨接电容C2k+2，电容C2k+1和电容C2k+2的电容值相等，即C2k+1＝C2k+2，k为1与N-1之间的任意整数，Sk表示第k个开关管。高压侧正、负极之间还依次连接有电容C1和C2，C1和C2的连接点与S2N、S2N+1的连接点直接相连。低压侧正、负极之间连接有滤波电容Co。当N＝2时，变换器为五电平双向DC-DC变换器，如图5所示。
进一步地，变换器高压侧依次通过高压侧开关SW2和高压侧预充电单元接入外部的高压侧电压vH；变换器低压侧依次通过低压侧开关SW4和低压侧预充电单元接入外部的低压侧电压vL。高压侧预充电单元包括并联的开关SW1和电阻Rs1，开关SW1所在的支路为输入主支路，电阻Rs1所在的支路为输入预充支路。低压侧预充电单元包括并联的开关SW3和电阻Rs2，开关SW3所在的支路为输入主支路，电阻Rs2所在的支路为输入预充支路。
设各个开关管开关周期为Ts。变换器工作前，各个电容电压需要保持在正常工作电压，各电容电压可以表示为：vC(2m-1)＝vC(2m)＝(N-m+1)vH/2N，vC(2m-1)表示电容C2m-1的电压，m为1与N之间的任意整数。具体地，C1和C2两端的电压为vH/2，C3和C4两端的电压为(N-1)vH/2N，……，C2N-1和C2N两端的电压为vH/2N。启动控制方法包括操作S1-操作S4。
操作S1，获取启动方式，若为高压侧启动，执行S2，若为低压侧启动，执行S3-S4。
当变换器采用高压侧启动时，执行操作S2中的高压侧启动策略；当变换器采用低压侧启动时，执行操作S3-操作S4中的低压侧启动策略。
操作S2，断开低压侧正、负极连接的开关管SN、SN+1、S3N和S3N+1，开通其余开关管，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1，直至断开所有开关管。
根据本发明实施例，操作S2包括子操作S21-子操作S23。并以图5所示五电平双向DC-DC变换器为例具体说明其高压侧启动过程。
在子操作S21中，断开SW1、SW2和SW4，接通SW3，断开SN、SN+1、S3N和S3N+1，开通其余开关管后闭合SW2。闭合SW2后变换器的结构如图3A所示。
对于五电平双向DC-DC变换器而言，子操作S21中，断开SW1、SW2和SW4，接通SW3，断开S2、S3、S6和S7，开通其余开关管后闭合SW2。闭合SW2后变换器的结构如图6A所示。
在子操作S22中，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1，直至断开所有开关管。
具体地，当电容C2N-1的电压vC(2N-1)或电容C2N的电压vC(2N)中的任一电压达到其对应的设定值时，关断开关管SN-1、SN+2、S3N-1和S3N+2，如图3B所示；当电容C2N-3的电压vC(2N-3)或电容C2N-2的电压vC(2N-2)中的任一电压达到其对应的设定值时，关断开关管SN-2、SN+3、S3N-2和S3N+3；以此类推，直到当电容C3的电压vC3或电容C4的电压vC4中的任一电压达到其对应的设定值时，关断开关管S1、S2N、S2N+1和S4N，如图3C所示。
对于五电平双向DC-DC变换器而言，子操作S22中，当电容C3的电压vC3或电容C4的电压vC4中的任一电压达到其对应的设定值时，关断开关管S1、S4、S5和S8，如图6B所示。
在子操作S23中，当C1或C2的电压达到相应设定值时，接通SW1和SW4。至此，高压侧启动过程结束。
对于五电平双向DC-DC变换器而言，子操作S23中，当电容C1的电压vC1或电容C2的电压vC2中的任一电压达到其对应的设定值时，接通SW1和SW4，高压侧启动过程结束。
操作S3，断开低压侧正、负极连接的开关管SN+1和S3N，开通其余开关管，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管S2N-k+1和S2N+k，直至C2k+1或C2k+2的电压达到低压侧电压的1/2。
根据本发明实施例，操作S3包括子操作S31-子操作S32。并以图5所示五电平双向DC-DC变换器为例具体说明其低压侧启动过程。
在子操作S31中，断开SW2、SW3和SW4，接通SW1，断开SN+1和S3N，开通其余开关管后闭合SW4。闭合SW4后变换器的结构如图4A所示。
在子操作S32中，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管S2N-k+1和S2N+k，直至C2k+1或C2k+2的电压达到低压侧电压的1/2时闭合SW3。
具体地，当电容C2N-1的电压vC(2N-1)或电容C2N的电压vC(2N)中的任一电压达到其对应的设定值时，关断开关管SN+2和S3N-1，如图4B所示；当电容C2N-3的电压vC(2N-3)或电容C2N-2的电压vC(2N-2)中的任一电压达到其对应的设定值时，关断开关管SN+3和S3N-2；以此类推，如图4C所示，直到当电容C2k+1的电压vC(2k+1)或电容C2k+2的电压vC(2k+2)中的任一电压达到低压侧电压的1/2时闭合SW3，停止子操作S32，执行操作S4。
操作S4，将开关管Sk+1至SN、SN+1至S2N-k、S2N+k+1至S3N、S3N+1至S4N-k划分为四组开关管并进行PWM调制，其余开关管保持导通，k继续逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，将C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1添加至四组开关管中，直至所有开关管均添加至四组开关管中。
具体地，将开关管Sk+1、Sk+2、……、SN作为第一开关管组；将开关管SN+1、SN+2、……、S2N-k作为第二开关管组；将开关管S2N+k+1、S2N+k+2、……、S3N作为第三开关管组；将开关管S3N+1、S3N+2、……、S4N-k作为第四开关管组，其中，k为操作S3中最后一次递减时的取值。如图4D所示。对这四组开关管进行PWM调制，其余开关管保持开通，从而构成升压电路，对其余电容进行升压充电过程。
当电容C2k-1的电压vC(2k-1)或电容C2k的电压vC(2k)中的任一电压达到其对应的设定值时，将开关管Sk添加至第一开关管组中，将开关管S2N-k+1添加至第二开关管组中，将开关管S2N+k添加至第三开关管组中，将开关管S4N-k+1添加至第四开关管组中，如图4E所示。对添加后的四组开关管进行PWM调制，其余开关管保持导通，以此类推，直至当电容C3的电压vC3或电容C4的电压vC4中的任一电压达到其对应的设定值时，将开关管S1添加至第一开关管组中，将开关管S2N添加至第二开关管组中，将开关管S2N+1添加至第三开关管组中，将开关管S4N添加至第四开关管组中。进一步地，当C1或C2的电压达到相应设定值时，接通SW2，低压侧启动过程结束。
对于五电平双向DC-DC变换器而言，其低压侧启动过程如下：
首先，断开SW2、SW3和SW4，接通SW1，断开S3和S6，开通其余开关管后闭合SW4，如图7A所示。
其次，当低压侧电压大于电容C3的电压vC3和电容C4的电压vC4的设定值时：当电容C3的电压vC3或电容C4的电压vC4中的任一电压达到其对应的设定值时，关断开关管S4和S5，如图7B所示；电容C1和电容C2继续充电，当电容C1的电压vC1或电容C2的电压vC2中的任一电压达到低压侧电压的1/2时闭合SW3；将开关管S1和S2作为第一开关管组，将开关管S3和S4作为第二开关管组，将开关管S5和S6作为第三开关管组，将开关管S7和S8作为第四开关管组，如图7C所示，对这四组开关管进行PWM调制，构成升压电路，对电容C1和C2进行升压充电，当C1或C2的电压达到相应设定值时，接通SW2，低压侧启动过程结束。
当低压侧电压小于电容C3的电压vC3和电容C4的电压vC4的设定值时：当vC3或vC4达到低压侧电压的一半时，闭合SW3，并将开关管S2作为第一开关管组，将开关管S3作为第二开关管组，将开关管S6作为第三开关管组，将开关管S7作为第四开关管组，如图7D所示，对这四组开关管进行PWM调制，其余开关管保持开通状态，构成升压电路，对电容C1、C2、C3和C4进行升压充电；当vC3或vC4达到相应的设定值时，将开关管S1添加进第一开关管组，将开关管S4添加进第二开关管组，将开关管S5添加进第三开关管组，将开关管S8添加进第四开关管组，对添加后的四组开关管进行PWM调制，继续对电容C1和C2进行升压充电，如图7E所示；当C1或C2的电压达到相应设定值时，接通SW2，低压侧启动过程结束。
本发明实施例中的PWM调制包括操作S41′-操作S44′：
在子操作S41′中，分别采集C1和C2两端的电压vc1和vc2，以及采集流过L的电流iL。
在子操作S42′中，基于vc1、vc2、输出电压给定值和iL，利用PI控制器计算四组开关管的占空比。
具体地，将vc1与vc2之和减去输出电压给定值，将相减结果输入电压PI控制器，经过限幅处理后得到电感电流给定值；将电感电流给定值与iL之间的差值输入电流PI控制器，经过限幅处理后得到占空比。电感电流给定值和占空比分别为：
iLref＝kpv(vc1+vc2-voref)+kiv∫(vc1+vc2-voref)dt
D＝kpi(iL-iLref)+kii∫(iL-iLref)dt
其中，iLref为电感电流给定值，D为占空比，voref为输出电压给定值，kpv为电压PI控制器比例系数，kiv为电压PI控制器积分系数，kpi为电流PI控制器比例系数，kii为电流PI控制器积分系数。
在子操作S43′中，基于vc1和vc2之差计算比例控制下各组开关管对应的移相比
Figure GDA0003391456410000111
在子操作S44′中，基于占空比和移相比生成四组PWM信号GI、GII、GIII、GIV，并分别发送给相应各组开关管，生成的PWM信号的波形如图8所示。参阅图8，这四组PWM信号中，平移前GI和GIV波形互差Ts/2；GI和GIV波形开通时长为(1-D)Ts；GI和GIV波形向反方向平移
Figure GDA0003391456410000112
GII和GIII波形可以通过GI和GIV波形反向得到；因此，GII和GIII波形开通时长为DTs。
本发明实施例还提供了一种多电平双向DC-DC变换器启动控制系统。系统包括获取及判断模块、高压侧启动模块和低压侧启动模块。获取及判断模块执行操作S1，高压侧启动模块执行操作S2，低压侧启动模块执行操作S3。
多电平双向DC-DC变换器启动控制系统用于执行上述图1-图8所示实施例中的多电平双向DC-DC变换器启动控制方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图8所示实施例中的多电平双向DC-DC变换器启动控制方法，此处不再赘述。
为验证本发明的有效性，以图5所示的五电平双向DC/DC变换器的启动作为其中一个例子进一步进行说明。分别完成了vH＝320V、vL＝200V、vL＝120V时的启动过程实验。
参阅图9，示出了vH＝320V时从高压侧启动的过程图。在启动前，断开SW1、SW2和SW4，接通SW3，关断开关管S2、S3、S6和S7，开通其余所有开关管后闭合SW2，电容电压vC1、vC2、vC3和vC4开始增加，如图中第一阶段所示。当vC3和vC4达到80V时，到达第二阶段。此时关断开关管S1、S4、S5和S8，此后vC3和vC4稳定在80V附近。vC1和vC2继续增加，第二阶段开始50ms后，vC1和vC2达到160V，高压侧启动过程结束。
参阅图10，示出了vL＝200V时从低压侧启动的过程图。目标高压侧电压vH＝320V，因此低压侧电压的一半(100V)大于第三电容和第四电容给定电压80V。首先闭合SW1，断开SW2、SW3和SW4。关断开关管S3和S6，开通其余所有开关管后闭合SW4，进入第一阶段。当vC3和vC4达到80V时，关断S4和S5，进入第二阶段。此时，vC3和vC4维持在80V，vC1和vC2继续增加。当vC1或vC2到达约100V时，闭合SW3，并将S1和S2作为第一开关管组，将S3和S4作为第二开关管组，将S5和S6作为第三开关管组，将S7和S8作为第四开关管组，对四组开关管进行PWM调制，构成升压电路，对电容C1和C2进行恒流升压充电过程，进入第三阶段，当电容电压增加时，电容充电电流电流保持在6A。当vC1及vC2到达160V时，闭合SW2，进入正常工作模式，低压侧启动过程结束。
参阅图11，示出了vL＝120V时从低压侧启动的过程图。目标高压侧电压vH＝320V，因此低压侧电压的一半(60V)小于第三电容和第四电容给定电压80V。首先闭合SW1，断开SW2、SW3和SW4。关断开关管S3和S6，开通其余所有开关管后闭合SW4，进入第一阶段。当vC3和vC4达到60V时，接通SW3，并将S2作为第一开关管组，将S3作为第二开关管组，将S6作为第三开关管组，将S7作为第四开关管组。对四组开关管进行PWM调制，其余开关管保持开通状态，构成升压电路，对C1、C2、C3和C4进行恒流充电，进入第二阶段，当电容电压增加时，电容充电电流保持在6A左右。当vC3或vC4达到80V时，进入第三阶段，将S1添加进第一开关管组，将S4添加进第二开关管组，将S5添加进第三开关管组，将S8添加进第四开关管组。对添加后的四组开关管进行PWM调制，对C1和C2进行恒流升压充电，当电容电压增加时，充电电流保持在6A。当vC1及vC2到达160V时，闭合SW2，低压侧启动过程结束，电路开始正常工作。
实验结果表明，在本发明实施例构建的原理性样机基础上，采用该启动控制法能能够实现低压侧和高压侧的正常启动，证实了本发明实施例所提出的启动控制方法的有效性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多电平双向DC-DC变换器启动控制方法，所述变换器包括依次连接在高压侧正、负极之间的4N个开关管S1～S4N，N≥2，Sk、Sk+1连接点与S2N-k、S2N-k+1连接点之间跨接电容C2k+1，S2N+k、S2N+k+1连接点与S4N-k、S4N-k+1连接点之间跨接电容C2k+2，电容C2k+1和电容C2k+2的电容值相等，k为1与N-1之间的任意整数，SN、SN+1不与电容C2N-1连接的一端通过滤波电感L连接至低压侧正极，S3N、S3N+1不与电容C2N连接的一端连接至低压侧负极，低压侧正、负极之间连接有滤波电容Co，其特征在于，方法包括：
S1，获取启动方式，若为高压侧启动，执行S2，若为低压侧启动，执行S3-S4；
S2，断开低压侧正、负极连接的开关管SN、SN+1、S3N和S3N+1，开通其余开关管，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1，直至断开所有开关管；
S3，断开低压侧正、负极连接的开关管SN+1和S3N，开通其余开关管，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管S2N-k+1和S2N+k，直至C2k+1或C2k+2的电压达到低压侧电压的1/2；
S4，将开关管Sk+1至SN、SN+1至S2N-k、S2N+k+1至S3N、S3N+1至S4N-k划分为四组开关管并进行PWM调制，其余开关管保持导通，k继续逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，将C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1分别添加至所述四组开关管中，直至所有开关管均添加至所述四组开关管中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，高压侧正、负极之间依次连接有电容C1和C2，高压侧依次通过高压侧开关SW2和高压侧预充电单元接入高压侧电压，低压侧依次通过低压侧开关SW4和低压侧预充电单元接入低压侧电压，所述高压侧预充电单元包括并联的开关SW1和电阻Rs1，所述低压侧预充电单元包括并联的开关SW3和电阻Rs2。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2包括：
S21，断开SW1、SW2和SW4，接通SW3，断开SN、SN+1、S3N和S3N+1，开通其余开关管后闭合SW2；
S22，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1，直至断开所有开关管；
S23，当C1或C2的电压达到相应设定值时，接通SW1和SW4。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S3包括：
S31，断开SW2、SW3和SW4，接通SW1，断开SN+1和S3N，开通其余开关管后闭合SW4；
S32，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管S2N-k+1和S2N+k，直至C2k+1或C2k+2的电压达到低压侧电压的1/2时闭合SW3。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S4中所有开关管均添加至所述四组开关管中之后还包括：当C1或C2的电压达到相应设定值时，接通SW2。
6.如权利要求2-5任一项所述的方法，其特征在于，SN和SN+1通过电感L连接低压侧正极，所述S4中PWM调制包括：
分别采集C1和C2两端的电压vc1和vc2，以及采集流过L的电流iL；
基于vc1、vc2、输出电压给定值和iL，利用PI控制器计算四组开关管的占空比；
基于vc1和vc2之差计算比例控制下各组开关管对应的移相比；
基于所述占空比和移相比生成四组PWM信号并分别发送给相应各组开关管。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于vc1、vc2、输出电压给定值和iL，利用PI控制器计算四组开关管的占空比，包括：
将vc1与vc2之和减去所述输出电压给定值，将相减结果输入电压PI控制器，经过限幅处理后得到电感电流给定值；
将所述电感电流给定值与iL之间的差值输入电流PI控制器，经过限幅处理后得到所述占空比。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电感电流给定值和占空比分别为：
iLref＝kpv(vc1+vc2-voref)+kiv∫(vc1+vc2-voref)dt
D＝kpi(iL-iLref)+kii∫(iL-iLref)dt
其中，iLref为所述电感电流给定值，D为所述占空比，voref为输出电压给定值，kpv为电压PI控制器比例系数，kiv为电压PI控制器积分系数，kpi为电流PI控制器比例系数，kii为电流PI控制器积分系数。
9.一种多电平双向DC-DC变换器启动控制系统，所述变换器包括依次连接在高压侧正、负极之间的4N个开关管S1～S4N，N≥2，Sk、Sk+1连接点与S2N-k、S2N-k+1连接点之间跨接电容C2k+1，S2N+k、S2N+k+1连接点与S4N-k、S4N-k+1连接点之间跨接电容C2k+2，电容C2k+1和电容C2k+2的电容值相等，k为1与N-1之间的任意整数，SN、SN+1不与电容C2N-1连接的一端通过滤波电感L连接至低压侧正极，S3N、S3N+1不与电容C2N连接的一端连接至低压侧负极，低压侧正、负极之间连接有滤波电容Co，其特征在于，系统包括：
获取及判断模块，用于获取启动方式，若为高压侧启动，执行高压侧启动模块，若为低压侧启动，执行低压侧启动模块；
高压侧启动模块，用于断开低压侧正、负极连接的四个开关管SN、SN+1、S3N和S3N+1，开通其余开关管，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1，直至断开所有开关管；
低压侧启动模块，用于断开低压侧正、负极连接的开关管SN+1和S3N，开通其余开关管，k取值沿低压侧至高压侧方向从N-1逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，断开C2k+1和C2k+2连接的开关管S2N-k+1和S2N+k，直至C2k+1或C2k+2的电压达到低压侧电压的1/2；将开关管Sk+1至SN、SN+1至S2N-k、S2N+k+1至S3N、S3N+1至S4N-k划分为四组开关管并进行PWM调制，其余开关管保持导通，k继续逐次递减，并在C2k+1或C2k+2的电压达到相应设定值时，将C2k+1和C2k+2连接的开关管Sk、S2N-k+1、S2N+k和S4N-k+1分别添加至所述四组开关管中，直至所有开关管均添加至所述四组开关管中。
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