发明内容
本发明的目的是提供低成本高动态直流电压控制方法、装置和存储介质,其控制方式简单,无需对BUCK变换器的输出电流进行采样,有效节约控制成本,且控制参数较少,易于调整,大大降低研发成本,且适用于较低控制频率、开关频率的设备和大功率变换器,有效降低系统损耗和填补数据中心直流供电系统整流模块动态调节方法的空白。
为了实现上有目的,本发明公开了一种低成本高动态直流电压控制方法,适于对BUCK变换器进行直流电压控制,其包括如下步骤:
S1、采用传统PI模式控制所述BUCK变换器的直流电压;
S2、检测所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值;
S3、对所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值与预设阈值进行比较;
S4、依据比较结果调整所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比,直至所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值小于所述预设阈值。
较佳地,所述步骤S4具体包括:
S41、若所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值大于或等于所述预设阈值,则暂停所述传统PI模式对所述BUCK变换器的直流电压的控制;
S42、调整所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比,直至所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值小于所述预设阈值;
S43、恢复所述传统PI模式对所述BUCK变换器的直流电压的控制。
具体地,所述步骤S42具体包括:
S421、以预设调整量增大所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比,以使所述BUCK变换器的电感电压在预设时间内上升并等于所述BUCK变换器的输出电流。
较佳地,所述预设调整量为所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比的最大调整量的A%。
较佳地,所述步骤S2具体包括:
S21、检测所述BUCK变换器输出的直流电压;
S22、分析所述BUCK变换器输出的直流电压在单位时间内的直流电压的峰值和谷值;
S23、计算所述BUCK变换器输出的直流电压在单位时间内的直流电压的峰值和谷值的差值,得到所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值。
较佳地,所述BUCK变换器输出的直流电压包含有低频纹波电压,所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值为所述BUCK变换器输出的直流电压的低频纹波电压的B倍。
相应地,本发明还公开了一种低成本高动态直流电压控制装置,适于对BUCK变换器进行直流电压控制,其包括:
第一执行模块,被配置为采用传统PI模式控制所述BUCK变换器的直流电压;
检测模块,被配置为检测所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值;
比较模块,被配置为对所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值与预设阈值进行比较;
第二执行模块,被配置为依据比较结果调整所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比,直至所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值小于所述预设阈值。
较佳地,若所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值大于或等于所述预设阈值,则所述第二执行模块首先暂停所述传统PI模式对所述BUCK变换器的直流电压的控制;
然后调整所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比,直至所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值小于所述预设阈值;
最后恢复所述传统PI模式对所述BUCK变换器的直流电压的控制。
较佳地,所述检测模块首先检测所述BUCK变换器输出的直流电压;
然后分析所述BUCK变换器输出的直流电压在单位时间内的直流电压的峰值和谷值;
最后计算所述BUCK变换器输出的直流电压在单位时间内的直流电压的峰值和谷值的差值,得到所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值。
相应地,本发明还公开了一种存储介质,用于存储计算机程序,所述程序被处理器执行时实现如上所述的低成本高动态直流电压控制方法。
与现有技术相比,本发明通过检测BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值,并对BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值与预设阈值进行比较,依据比较结果触发对BUCK变换器的功率开关驱动的占空比的调整,以使BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值小于所述预设阈值,其无需对BUCK变换器的输出电流进行采样,有效节约控制成本,且控制参数较少,易于调整,大大降低研发成本,且适用于较低控制频率、开关频率的设备和大功率变换器,有效降低系统损耗和填补数据中心直流供电系统整流模块动态调节方法的空白。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图详予说明。
请参阅图1-图3所示,本实施例的低成本高动态直流电压控制方法,适于对BUCK变换器进行直流电压控制,主要应用于由多重化整流变压器、整流模块、直流馈出、监控系统组成的大型数据中心电源。本方法不需要对系统中整流模块的负载电流进行采样,在低成本的情况下即可实现负载突变时直流电压的快速响应。另外,本方法同样适用于控制频率和开关频率等于小于20kHz的模块,在保证模块性能的同时降低了损耗,适用于效率要求较高的数据中心直流供电系统。
值得注意的是,随着电力电子行业的发展,行业内新兴的直流电压具有多种拓扑结构,但是所有直流电压的拓扑结构归根结底还是图1示出的传统的Buck变换器原理,当开关管VT导通时,该Buck变换器等效电路如图2所示,当开关管VT断开时,该Buck变换器等效电路如图3所示。
另外,根据电感电流工作状态可以将Buck变换器分为连续模式CCM和断续模式DCM,电路参数设计合理开关频率选择正确的情况下,Buck变换器大都工作在CCM模式下,因此,本发明只分析工作在连续模式CCM下的Buck变换器工作原理。如图2和图3所示,在开关管和二极管开通关断时,均视为理想器件,不考虑开关器件损耗;电感寄生参数RL和电容寄生参数Esr数值较小,且对于直流电压快速响应影响可以忽略不计,引入寄生参数会增加繁重的计算量,不利于我们针对动态响应的进行建模分析。因此,本实施例将Buck变换器的各个元器件等同为理想元器件,该等同不会对本实施例的实际控制效果产生影响。
本实施例将以图1示出的BUCK变换器进行详细说明,对于其他Buck变换器的结构,可以进行适当调整,以符合控制需求。
请参阅图1-图13所示,本实施例的低成本高动态直流电压控制方法包括如下步骤:
S1、采用传统PI模式控制所述BUCK变换器的直流电压。
S2、检测所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值。
S3、对所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值与预设阈值进行比较。
S4、依据比较结果调整所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比,直至所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值小于所述预设阈值。
需要说明的是,传统PI模式是采用PI调节器的一种算法控制模式,根据给定值与实际输出值构成控制偏差,将控制偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量,利用控制量对被控对象进行控制。在通过传统PI模式调节直流电压斜率时,传统PI模式的给定值为预设的稳定电压参考值,实际输出值为直流电压值,通过传统PI模式输出调节直流电压斜率。
较佳地,所述步骤S4具体包括:
S41、若所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值大于或等于所述预设阈值,则暂停所述传统PI模式对所述BUCK变换器的直流电压的控制。
S42、调整所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比,直至所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值小于所述预设阈值。
S43、恢复所述传统PI模式对所述BUCK变换器的直流电压的控制。
具体地,所述步骤S42具体包括:
S421、以预设调整量增大所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比,以使所述BUCK变换器的电感电压在预设时间内上升并等于所述BUCK变换器的输出电流。
较佳地,所述预设调整量为所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比的最大调整量的A%。经多次测试测得,当A=87时,即所述预设调整量为所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比的最大调整量的87%时,能够通过最小的超调量实现直流电压的快速回升。
较佳地,所述步骤S2具体包括:
S21、检测所述BUCK变换器输出的直流电压;
S22、分析所述BUCK变换器输出的直流电压在单位时间内的直流电压的峰值和谷值;
S23、计算所述BUCK变换器输出的直流电压在单位时间内的直流电压的峰值和谷值的差值,得到所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值。
下面结合图1的BUCK变换器对本实施例进行具体说明:
请参阅图1-图13所示,如图2所示,开关管VT导通时对应图4中t=ton区间,电感电流流过开关VT管,二极管DT反向截止,电感电压为VL=Vin-Vo,电感电压和电感电流关系为:
由于Buck变换器Vin>Vo,因此,电感电压使得电感电流线性上升。
如图3所示,开关管VT关断时对应图4中t=toff区间,由于电感电流具有连续性,电感电流方向不变,通过二极管DT流通,VL=-Vo。
根据电感伏秒平衡原理可得:
根据平均状态方程法可将上式简化为:
(Vin-Vo)ton+(-Vo)toff=0,
又有
联立两式可得:
同理可通过电容安秒平衡原理推导电感电流的平均值:
IL=Io。
由以上分析可得,在变换器稳态工作条件下,电感电流和负载电流平均值相等,输出电压在周期Ts内电荷平衡,直流电压平均值保持不变;突加负载时,电容损失电荷,电压发生跌落现象,假设此时输入电压没有发生变化,那么增加占空比即可实现输出电压的恢复调节,且占空比越大,恢复时间越短,但会产生过冲现象。因此,需要在调节时间和超调量两者之间找到平衡点。
如图6所示了传统PID模式控制下的负载电流突增时的暂态响应图。在t0时,负载电流有一个明显的阶跃变化io1→io2,此时电感电流仍然保持上一个稳态的数值iL0,远小于负载电流io2,缺失的电量需要由输出储能电容进行补充,因此直流电压会快速下降;在t1时,通过传统PID模式控制下,电感电流开始上升,但受环路带宽的限制,电感电流上升较慢且仍小于输出电流,直流电压以小于前一时刻的斜率下降;在t2时,电感电流iL2等于负载电流io2,达到电压跌落极点,直流电压不再下降;随后,在控制环路的作用下,电感电流持续上升,直流电压重新回到稳态电压。传统PID模式如图6所示的在负载电流突增时跌落较明显,调节时间长,且具有明显的超调。
与传统的PID控制环路相比,本实施例的低成本高动态直流电压控制方法首先需要确定动态调节的触发条件,即所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值。由于数字控制的离散性和断续性,所述BUCK变换器输出的直流电压并不是一条直线,而是在所述BUCK变换器输出的直流电压上叠加有低频纹波,即所述BUCK变换器输出的直流电压包含有低频纹波电压,该低频纹波电压的频率和幅值与负载大小和输入电压Vin纹波成正相关。如图7所示为Buck变换器在本发明的低成本高动态直流电压控制方法控制下的直流电压稳态波形图,所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值只有大于或等于Vripple,才能保证在稳态运行时不会误触发动态响应。
因此,本实施例引入稳态误差带的概念Verror,该Verror即可本实施例的预设阈值。考虑一定的裕量,所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值为所述BUCK变换器输出的直流电压的低频纹波电压的B倍,以降低误触发。经多次测试测得,当B=1.2时,能够获得最好的触发效果,即此时所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值为:
Verror=1.2Vripple,
即本实施例的预设阈值为1.2Vripple时,且即当所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值大于或等于1.2Vripple时,暂停所述传统PI模式对所述BUCK变换器的直流电压的控制,并对所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比进行主动调整。
考虑到数字采样方式的离散型,特别是在采样频率较低时,采样的随机性会严重影响动态调节的效果,本发明将直流电压采样的模拟量作为数字控制芯片内部比较器的输入,比较器输出高/低电平作为动态调节的触发条件,一方面极大地改善了数字采样的延迟和离散性,另一方面比较器的数值由软件赋值,可通过模式识别随时进行调整,内部比较器工作原理如图8所示。
图9示出了本实施例的BUCK变换器的输出电流突增时的暂态响应图,在t1时刻触发动态调节,数字控制器对所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比做出预设调整量的增大。记所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比的最大调整量为Dmax,考虑到不同拓扑的普适性,所述预设调整量为所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比的最大调整量Dmax的A%,以适应提升调整的适应性。经多次测试测得,当A=87时,即所述预设调整量为87%Dmax时,能够获得最好的占空比调整效果。在87%Dmax作用下,电感电压快速上升,直流输出电压跌落受到抑制,当直流电压上一时刻采样值和当前时刻采样值相等,即:
在t2时刻,数字控制器记录此时的电感电流iL,由图9可知:
io=iL2,
此时,将控制算法切换至传统PI模式进行控制,切换逻辑如图10所示。输出电流作为前馈控制作用到电流环上,如图11所示,图11中的uo_ref为输出电压给定,uo为直流输出电压,iL_ref为电感电流给定,io为负载电流,KSPWM为变换器调制比。
由于在t1→t2时间内,传统PI模式不进行积分累加,所以t2切换至传统PI模式后产生的向上调节量较小,输出电流前馈能够很好的解决PI带宽较低的问题;由于电感电流的连续性,电感电流在t2→t3时间内继续上升,直至输出直流电压恢复至稳定误差带内。
为了验证本发明所提出的低成本高动态直流电压控制方法的可行性,以额定功率30kW的直流模块为研究对象进行实验验证。通过图11所示电压外环PI参数和电流内环PI参数的实际调节,可使得t2开始的直流电压PI控制超调较小,动态响应恢复时间较短,如图9所示t1→t3。
模块的输入采用交流电压结合不控整流方式,输出采用Buck变换器,输出电压为240VDC,模块控制频率和开关频率均为20kHz。如图12所示,通道1为输出电压AC分量,通道2为输入电压,通道3为负载电流。负载电流在t0时刻,由60A电流突增至125A,即50%Load→100%Load。t1→t3为直流电压动态调节时间,约为80us;负超调量为3.1V,超调电压百分比为1.29%;正超调为1V,超调电压百分比为0.41%;如图13所示,通道2为输入电压,通道3为输入电流,通道4为输出电压AC分量。负载电流在t0时刻,由31A电流突增至63A,即25%Load→50%Load。t1→t3为直流电压动态调节时间,约为70us;负超调量为2.3V,超调电压百分比为0.95%;正超调为0.7V,超调电压百分比为0.29%。
由图12和图13可验证,本实施例的低成本高动态直流电压控制方法无需对输出电流进行采样,需要调节的参数较少,在开关频率较低时,亦可实现电流突增时直流电压超调量小、调节时间短的快速调节,是一种低成本高动态的直流电压控制策略。
请参阅图14所示,相应地,本发明还公开了一种低成本高动态直流电压控制装置,适于对BUCK变换器进行直流电压控制,其包括:
第一执行模块10,被配置为采用传统PI模式控制所述BUCK变换器的直流电压;
检测模块20,被配置为检测所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值;
比较模块30,被配置为对所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值与预设阈值进行比较;
第二执行模块40,被配置为依据比较结果调整所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比,直至所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值小于所述预设阈值。
较佳地,若所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值大于或等于所述预设阈值,则所述第二执行模块首先暂停所述传统PI模式对所述BUCK变换器的直流电压的控制;
然后调整所述BUCK变换器的功率开关驱动的占空比,直至所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值小于所述预设阈值;
最后恢复所述传统PI模式对所述BUCK变换器的直流电压的控制。
较佳地,所述检测模块首先检测所述BUCK变换器输出的直流电压;
然后分析所述BUCK变换器输出的直流电压在单位时间内的直流电压的峰值和谷值;
最后计算所述BUCK变换器输出的直流电压在单位时间内的直流电压的峰值和谷值的差值,得到所述BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值。
相应地,本发明还公开了一种存储介质,用于存储计算机程序,所述程序被处理器执行时实现如上所述的低成本高动态直流电压控制方法。
结合图1-图14,本发明通过检测BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值,并对BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值与预设阈值进行比较,依据比较结果触发对BUCK变换器的功率开关驱动的占空比的调整,以使BUCK变换器输出的直流电压的跌落幅值小于所述预设阈值,其无需对BUCK变换器的输出电流进行采样,有效节约控制成本,且控制参数较少,易于调整,大大降低研发成本,且适用于较低控制频率、开关频率的设备和大功率变换器,有效降低系统损耗和填补数据中心直流供电系统整流模块动态调节方法的空白。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明申请专利范围所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。