CN112953266B - 一种非对称隔离型ac-dc变换器的运行状态控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非对称隔离型AC‑DC变换器的运行状态控制方法及系统，包括：在电压外环中，根据给定输出电压参考值和输出电压采样值采用比例积分法控制输出电压值，并将输出电压值作为电流内环的输入电压值；在电流内环中，判断一个开关周期开始时刻的漏感电流是否为零，根据判断结果选择运行状态控制策略，根据已知参考电流值和输入电压值得到当前运行状态控制策略下的二次侧开关管占空比；根据预设的一次侧开关管占空比和二次侧占空比对变换器开关管进行控制。采用电压外环和电流内环结合的控制策略，在电路工作在升压状态下，实现功率因数校正和宽范围电压输出。

Description

一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，特别是涉及一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
由于电池的限制，其充电速度及便捷程度显著影响电动汽车的用户体验，因此电池充电为汽车厂商的研发重点。电动汽车的充电方式可分为充电桩充电和车载充电器充电两种方式，充电桩具有充电速度快，效率高的优点，但目前仍处于建设阶段，未能形成规模效应，不能充分满足电动汽车的充电需要。由于车载充电器便于携带、价格低廉，可以作为充电桩大规模建成前的过渡手段。
目前主流车载充电器采用两级式拓扑，前级采用功率因数校正电路，后级采用隔离型DC-DC变换电路，但因为其需要使用两套控制器和大容量电解电容，导致成本偏高，寿命较短。针对这些问题，专利号：CN103986344A“单位功率因数单级AC-DC隔离变换器的控制系统及控制方法”中提出一种单级型隔离电路，可以应用于车载充电器，但是在该技术方案中未深入涉及该电路的控制，有待进一步的研究。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法及系统，采用电压外环和电流内环结合的控制策略，在电路工作在升压状态下，实现功率因数校正和宽范围电压输出。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法，包括：
在电压外环中，根据给定输出电压参考值和输出电压采样值采用比例积分法控制输出电压值，并将输出电压值作为电流内环的输入电压值；
在电流内环中，判断一个开关周期开始时刻的漏感电流是否为零，根据判断结果选择运行状态控制策略，根据已知参考电流值和输入电压值得到当前运行状态控制策略下的二次侧开关管占空比；
根据预设的一次侧开关管占空比和二次侧占空比对变换器开关管进行控制。
第二方面，本发明提供一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制系统，包括：
外环控制模块，被配置为在电压外环中，根据给定输出电压参考值和输出电压采样值采用比例积分法控制输出电压值，并将输出电压值作为电流内环的输入电压值；
内环控制模块，被配置为在电流内环中，判断一个开关周期开始时刻的漏感电流是否为零，根据判断结果选择运行状态控制策略，根据已知参考电流值和输入电压值得到当前运行状态控制策略下的二次侧开关管占空比；
双极性控制模块，被配置为根据预设的一次侧开关管占空比和二次侧占空比对变换器开关管进行控制。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明应用于非对称隔离型AC-DC变换器上，设计能够输出宽范围电压的控制策略，在电路工作在升压状态下，实现功率因数校正和宽范围电压输出。
本发明中二次侧开关管占空比由控制输出电压的电压外环和实现功率因数校正的电流内环得到，采用电压外环和电流内环结合的控制策略，实现对非对称隔离型AC-DC变换器的控制。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法示意图；
图2为本发明实施例1提供的电路结构图；
图3(a)-3(f)为本发明实施例1提供的断续运行状态各阶段电流流向图；
图4(a)-4(f)为本发明实施例1提供的连续运行状态各阶段电流流向图；
图5(a)-5(b)为本发明实施例1提供的断续运行状态相关波形图和连续运行状态相关波形图；
图6(a)-6(b)为本发明实施例1提供的断续运行状态控制策略图和连续运行状态控制策略图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法，包括：
在电压外环中，根据给定输出电压参考值和输出电压采样值采用比例积分法控制输出电压值，并将输出电压值作为电流内环的输入电压值；
在电流内环中，判断一个开关周期开始时刻的漏感电流是否为零，根据判断结果选择运行状态控制策略，根据已知参考电流值和输入电压值得到当前运行状态控制策略下的二次侧开关管占空比；
根据预设的一次侧开关管占空比和二次侧占空比对变换器开关管进行控制。
在本实施例中，预设一次侧开关管S1～S4占空比为0.5，二次侧开关管S5、S6占空比由电压外环和电流内环控制输出；其中，电压外环采用PI控制，用于控制输出电压，电流内环包括断续运行状态电流控制和连续运行状态电流控制，用于实现功率因数校正，且由采样的电感电流决定运行状态控制策略。
在本实施例中，如图2所示的电路结构图及图3(a)-3(f)、图4(a)-4(f)所示的电流流向图，该电路运行方式分为断续运行状态和连续运行状态，根据在一个开关周期内变压器漏感电流是否从零开始变化进行判断；
在升压运行状态下，一个工频周期开始的一段时间内，电路工作于断续状态，断续运行状态下各个时间段内电流电压波形如图5(a)所示，各个时间段电压电流关系为：
t0～t1阶段：
Figure BDA0002988982640000051
t1～t2阶段：
Figure BDA0002988982640000061
t2～t3阶段：
Figure BDA0002988982640000062
t3～t4阶段：
Figure BDA0002988982640000063
t4～t5阶段：
Figure BDA0002988982640000064
t5～t6阶段：
Figure BDA0002988982640000071
在输入电压继续增加且变压器漏感足够大时，电路进入连续运行状态，连续运行状态下，各个时间段内电流电压波形如图5(b)所示，各个时间段电压电流关系为：
t0～t1阶段：
Figure BDA0002988982640000072
t1～t2阶段：
Figure BDA0002988982640000073
t2～t3阶段：
Figure BDA0002988982640000074
t3～t4阶段：
Figure BDA0002988982640000081
t4～t5阶段：
Figure BDA0002988982640000082
t5～t6阶段：
Figure BDA0002988982640000083
其中，is和vs为二极管整流桥后的电流和电压；iLr为变压器漏感电流；Vo为AC-DC变换器输出电压；vc为输出侧电容电压；Lr为变压器漏感值；R和Co为AC-DC变换器输出侧所接负载和电容。
根据上述各个阶段的电流电压波形，可计算在一个开关周期内输入电流的平均值，利用电感电流平均值对输入电流进行控制，以实现功率因数校正功能；具体地：
在断续运行状态下，一个开关周期内，电感电流平均值为：
Figure BDA0002988982640000084
在连续运行状态下，一个开关周期内，电感电流平均值为：
Figure BDA0002988982640000091
在本实施例中，一个开关周期内，随着输入电压的逐渐增加，采用比例积分控制法进行电压外环的控制，对输出电压采样值Vo经低通滤波器后，与给定输出电压参考值进行运算后，控制输出电压值，并将其作为电流内环的输入电压值vin；
在电流内环中，已知电流参考值Iref时，根据一个开关周期开始时刻变压器漏感电流是否零的判断结果，选择断续运行状态控制策略和连续运行状态控制策略；
如图6(a)所示，在断续运行状态控制策略下，根据已知的电流参考值Iref、输出电压采样值Vo、输入电压采样值vin得到二次开关管占空比d；
二次开关管占空比为：
Figure BDA0002988982640000092
其中，Vo为输出电压采样值，Vim为输入电压最大值，vin为输入电压采样值。
如图6(b)所示，在连续运行状态控制策略下，对输入电压采样值vin通过锁相环获取相位信息，将相位信息与电流参考值Iref相乘得到电流环的瞬时电流参考值iref，根据瞬时电流参考值iref与输出电压采样值Vo得到二次开关管占空比d；
二次开关管占空比为：
Figure BDA0002988982640000093
其中：sin(ωt)为相位信息，
Figure BDA0002988982640000101
Figure BDA0002988982640000102
Figure BDA0002988982640000103
对一次侧开关管占空比和二次侧占空比分别进行双极性PWM控制，得到一次侧和二次侧的开关管控制信号，完成对非对称隔离型AC-DC变换器的控制。
实施例2
本实施例提供一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制系统，包括：
外环控制模块，被配置为在电压外环中，根据给定输出电压参考值和输出电压采样值采用比例积分法控制输出电压值，并将输出电压值作为电流内环的输入电压值；
内环控制模块，被配置为在电流内环中，判断一个开关周期开始时刻的漏感电流是否为零，根据判断结果选择运行状态控制策略，根据已知参考电流值和输入电压值得到当前运行状态控制策略下的二次侧开关管占空比；
双极性控制模块，被配置为根据预设的一次侧开关管占空比和二次侧占空比对变换器开关管进行控制。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法，其特征在于，包括：
在电压外环中，根据给定输出电压参考值和输出电压采样值采用比例积分法控制输出电压值，并将输出电压值作为电流内环的输入电压值；
在电流内环中，判断一个开关周期开始时刻的漏感电流是否为零，根据判断结果选择运行状态控制策略，根据已知参考电流值和输入电压值得到当前运行状态控制策略下的二次侧开关管占空比；其中，所述运行状态控制策略包括断续运行状态控制策略和连续运行状态控制策略，根据一个开关周期内开始时刻的漏感电流是否为零进行判断，若为零，则选择断续运行状态控制策略，否则选择连续运行状态控制策略；
根据预设的一次侧开关管占空比和二次侧占空比对变换器开关管进行控制。
2.如权利要求1所述的一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法，其特征在于，在电压外环中，采用比例积分法对经低通滤波器后的输出电压采样值与给定输出电压参考值进行运算后，将得到的输出电压值作为电流内环的输入电压值。
3.如权利要求1所述的一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法，其特征在于，在断续运行状态控制策略下，根据已知电流参考值、输出电压采样值和输入电压采样值得到二次侧开关管占空比。
4.如权利要求3所述的一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法，其特征在于，所述二次侧开关管占空比为：
Figure FDA0003503385890000011
其中，d为二次侧开关管占空比，Iref为已知电流参考值，Vo为输出电压采样值，vin为输入电压采样值，Vim为输入电压最大值，Lr为变压器漏感值，Ts为开关周期。
5.如权利要求1所述的一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法，其特征在于，在连续运行状态控制策略下，对输入电压值的采样值通过锁相环获取相位信息，将相位信息与已知电流参考值相乘得到电流环的瞬时电流参考值，根据瞬时电流参考值与输出电压采样值得到二次侧开关管占空比。
6.如权利要求1所述的一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制方法，其特征在于，所述预设的一次侧开关管占空比设为固定的0.5。
7.一种非对称隔离型AC-DC变换器的运行状态控制系统，其特征在于，包括：
外环控制模块，被配置为在电压外环中，根据给定输出电压参考值和输出电压采样值采用比例积分法控制输出电压值，并将输出电压值作为电流内环的输入电压值；
内环控制模块，被配置为在电流内环中，判断一个开关周期开始时刻的漏感电流是否为零，根据判断结果选择运行状态控制策略，根据已知参考电流值和输入电压值得到当前运行状态控制策略下的二次侧开关管占空比；其中，所述运行状态控制策略包括断续运行状态控制策略和连续运行状态控制策略，根据一个开关周期内开始时刻的漏感电流是否为零进行判断，若为零，则选择断续运行状态控制策略，否则选择连续运行状态控制策略；
双极性控制模块，被配置为根据预设的一次侧开关管占空比和二次侧占空比对变换器开关管进行控制。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-6任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-6任一项所述的方法。
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