CN113541490A - 交错双向Buck/Boost电路软开关PWM‐PFM控制系统及控制方法 - Google Patents

交错双向Buck/Boost电路软开关PWM‐PFM控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交错双向Buck/Boost电路软开关PWM‑PFM控制系统及控制方法，属于DC/DC电力变换技术领域。本发明针对多相交错双向Buck/Boost电路软开关控制技术设计出了一种新的PWM‑PFM软开关控制系统及控制方法，通过引入频率变化，根据当前的电流方向，选用不同的计算公式，计算当前的理论频率值，控制电感反向电流，提高工作效率，尤其是在轻载软开关时，可以极大提高工作效率。

Description

交错双向Buck/Boost电路软开关PWM-PFM控制系统及控制 方法
技术领域
本发明属于DC/DC电力变换技术领域，具体涉及一种交错双向Buck/Boost电路软开关PWM-PFM控制系统及控制方法。
背景技术
电源在一个系统中担当着非常重要的角色。从某种意义上说，电源可被看作是系统的心脏。电源给系统的电路提供持续的、稳定的能量，并使系统免受外部侵扰。可见，电源的性能优劣与电子设备的各项技术指标和可靠性息息相关。
Buck/Boost作为一种流行的非隔离逆功率级的拓扑，有时也称为升降压功率级。Buck/Boost升降压功率级可以得到在幅值上比输入电压更高的输出电压(升压Boost)，或者更低的输出电压(降压Buck)。Buck/Boost电路由于其具有电路简单，电压变比可由零到无穷大，既可升压又可降压等优点，这种结构被广泛应用于电力变换中。
如图1所示的Buck/Boost电路拓扑结构中，U1为高压侧电压，U2为低压侧电压，VQ1为开关管上管，VQ2为开关管下管，VD1和VD2为寄生二极管，L为电感，C2是滤波电容。
现有Buck/Boost电路控制方法主要分为硬开关和软开关两种。
硬开关电路是电路设计中比较基础的控制方法，这种方法稳定性比较好，而且操作简单，但是，这种方法缺点比较多，有开关损耗大，关断电尖峰大，容性开通电流尖峰大，电磁干扰严重等问题。软开关和硬开关工作不同，理想的软关断过程关断损耗近似为零，解决了感性关断问题。开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。同时，开通时二极管反向恢复问题不存在。因此软开关电路中，主要损耗来源于开关器件的导通损耗级电感。但是现有软开关一般采用调节占空比的方法进行控制，该种软开关方法的电感反向电流不能得到有效抑制，尤其是轻载时，电感反向电流尤为严重，工作效率极低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：针对多相交错双向Buck/Boost电路软开关控制技术设计出了一种新的PWM-PFM软开关控制系统及控制方法。根据当前的电流平均值的正负方向，选择恰当的频率计算公式，精确求解当前理想的频率值。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种交错双向Buck/Boost电路软开关PWM-PFM控制系统，包括PWM控制模块，PMF控制模块，PWM生成模块和逆变器、多相交错双向变换器每相交错双向Buck/Boost电路中，所述PWM控制模块用于根据输出闭环控制产生一个占空比值D，PMF控制模块用于基于占空比值D产生频率值信号f，PWM生成模块用于根据获得的占空比D和频率值f输出一组互补的PWM控制信号，得到逆变器中两个开关管的互补的驱动信号，以控制所述逆变器中两个开关管中的上、下管的导通和关断，多相交错双向变换器是将N个单相双向变换器的输入端并在一起，输出端并在一起，并且每个PWM驱动信号相差θ＝2π/N实现，N为交错并联相数，PWM驱动信号用来控制多相交错双向变换器的功率部分的能量流动。
其中，每相交错双向变换器中，所述PWM控制模块用于根据输出闭环控制产生一个占空比值D，PMF控制模块用于基于占空比值D产生频率值信号f，PWM生成模块用于根据获得的占空比D和频率值f输出一组互补的PWM控制信号，以控制所述逆变器中两个开关管中的上、下管的导通和关断。
优选地，所述PWM控制模块具体用于将电压给定信号Uref与输出电压反馈信号Ulow比较得到电压误差，经过PI电压调节器产生电感电流给定信号Iref，再与电感电流反馈信号比较而得的电流误差信号经过PI电流调节器形成占空比控制量D。
优选地，所述PWM控制模块具体用于采集逆变器反馈的输出电流值Ilow、输出电压值Ulow以及设定的电感最小反向电流值Izvs，基于占空比值D通过计算得到频率信号f。
优选地，PWM生成模块具体用于根据获得的占空比D和频率值f输出一组互补的PWM控制信号，得到逆变器中两个开关管的互补的驱动信号，使得其中一个开关管开通时，另一个开关管为关断状态，其中一个开关管关断时，另一个开关管为开通状态，且其中一个关断时，另一个经历死区时间之后再开通。
优选地，所述PWM控制模块采用内外双闭环控制方法实现。
本发明还提供了一种利用所述的系统实现多相交错双向Buck/Boost电路软开关PWM-PFM控制的方法，该方法在软开关PWM-PFM控制中，加入频率变量，将每个周期的电感能量分解到多个小周期上，以减小电感反向电流的最小值，频率越高，电感纹波也相应越小，电感反向电流也会相应减小。
优选地，包括以下步骤：所述PWM控制模块采用内外双闭环控制方法，将电压给定信号Uref与输出电压反馈信号Ulow比较得到电压误差，经过PI电压调节器产生电感电流给定信号Iref，再与电感电流反馈信号比较而得的电流误差信号经过PI电流调节器形成占空比控制量D；
所述PWM控制模块采集逆变器反馈的输出电流值Ilow、输出电压值Ulow以及设定的电感最小反向电流值Izvs，基于占空比值D通过计算得到频率信号f；
PWM生成模块根据获得的占空比D和频率值f输出一组互补的PWM控制信号，得到逆变器中两个开关管的互补的驱动信号，使得其中一个开关管开通时，另一个开关管为关断状态，其中一个开关管关断时，另一个开关管为开通状态，且其中一个关断时，另一个经历死区时间之后再开通。
优选地，所述PWM控制模块计算频率信号f的方法为：
Buck方向：
Figure BDA0003144946310000041
其中，dt＝(1-D)×Ts，ILOW＝N×ILav，di＝2ILav+2IZVS。
可得
Figure BDA0003144946310000042
其中，Ts是周期，采集的输出电流为Ilow，输出电压为Ulow，占空比为D，T为开关管的工作周期，反向参考电流为Izvs。
Boost方向：
Figure BDA0003144946310000043
其中dt＝(1-D)×Ts，Ihigh＝N×ILav，ILav＝IL×(1-D)，di＝2IL+2IZVS
IL为电感放电平均电流，求得
Figure BDA0003144946310000051
其中电流Ihigh，电压Vhigh均为boost电路高压侧的输出变量。N：交错并联相数。
多相交错双向变换器中，将N个单相双向变换器的电感一端连接在一起，且每一相有一个相位差，两相交错相差180度，四相交错相差90度；PWM控制模块计算频率信号f每个周期计算一次，得到一组PWM波形后，每相的PWM波形的占空比和频率值均相同，每相的PWM波形仅相差一个相位角θ。
(三)有益效果
本发明针对多相交错双向Buck/Boost电路软开关控制技术设计出了一种新的PWM-PFM软开关控制系统及控制方法，通过引入频率变化，控制电感反向电流，来降低轻载软开关时的电感反向电流，提高工作效率。
附图说明
图1为Buck/Boost电路拓扑结构图；
图2为本发明提供的PWM-PFM控制系统原理图；
图3为本发明的软开关PWM-PFM控制电感电流波形图；
图4为本发明的电感电流波形图；
图5为本发明的Buck/Boost电路DCM工作模态图。
图6四相交错双向Buck-Boost变换器拓扑；
图7为双相交错并联DC/DC电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图2所示，本发明提供的一种交错双向Buck/Boost电路软开关PWM-PFM控制系统包括PWM控制模块，PMF控制模块，PWM生成模块、逆变器、多相交错双向变换器。
其中，每相交错双向变换器中，PWM控制模块用于根据输出闭环控制产生一个占空比值D，PMF控制模块用于基于占空比值D产生频率值信号f，通过PWM生成模块生成一组交替互补的PWM控制信号，得到逆变器中两个开关管的互补的驱动信号，控制逆变器(如图1所示)中开关管的上、下管(即图1中的VQ1、VQ2)的导通和关断，多相交错双向变换器是将N个单相双向变换器的输入端并在一起，输出端并在一起，并且每个PWM驱动信号相差θ＝2π/N实现，N为交错并联相数，例如四相交错双向变换器驱动信号相位差为θ＝2π/4＝π/2。多相交错并联结构的优势在于，在相同输出效率的情况下，交错并联结构不需要采用很大的电感；在每相开关频率恒定的情况下，输出电压纹波的频率随着相数的增加而增加，总电感电流为每相电感电流之和；多相并联的拓扑结构使得每一相承受的电流应力减小，从而增大了选型的自由度，且有利于热量的管理和封装的灵活性；
该发明减小反向电流的控制原理如图3所示。
软开关PWM-PFM控制中，加入频率变量，将反向电流的最小值(如图3a)有效钳制在一个更小的范围内(如图3b)(减少阴影区域的最小值)。调整频率的主要目的是将每个周期的电感能量(如图3a)(阴影区域的面积)分解到多个小周期上(如图3b)，从而减小反向的电感反向电流。频率越高，电感纹波也相应越小，电感反向电流也会相应减小。
为了实现开关管的零电压开关ZVS以降低其电流应力，本方案采用DCM调制模式以制造开关管实现ZVS的电流极性和大小，即保证电感波形始终存在过零状态，通过选择电感参数、工作的频率范围，使其不论轻载或者重载始终工作在不连续模式，为频率调节提供条件。频率值不能随意变化，需要设定一个上下限范围，f在一定区间内浮动变化。
PWM控制模块采用内外双闭环控制方法，电压给定信号Uref与输出电压反馈信号Ulow比较得到电压误差，经过PI电压调节器产生电感电流给定信号Iref，再与电感电流反馈信号比较而得的电流误差信号经过PI电流调节器形成占空比控制量D。
PWM控制模块采集逆变器的输出电流值Ilow、输出电压值Ulow以及设定的电感最小反向电流值Izvs，通过计算得到频率信号f。其中，参考图4，频率计算原理和方法如下：
Buck方向：
Figure BDA0003144946310000071
其中，dt＝(1-D)×Ts，ILOW＝N×ILav，di＝2ILav+2IZVS。
可得
Figure BDA0003144946310000072
其中，采集的输出电流为Ilow，输出电压为Ulow，占空比为D，T为开关管的工作周期，反向参考电流为Izvs。
Boost方向：
Figure BDA0003144946310000073
其中dt＝(1-D)×Ts，Ihigh＝N×ILav，ILav＝IL×(1-D)，di＝2IL+2IZVS
IL为电感放电平均电流，可以求得
Figure BDA0003144946310000081
其中电流Ihigh，电压Vhigh均为boost电路高压侧的输出变量。N：交错并联相数。
多相交错双向变换器中，将N个单相双向变换器的电感一端连接在一起，且每一相有一个相位差，两相交错相差180度，四相交错相差90度；PWM控制模块计算频率信号f每个周期计算一次，得到一组PWM波形(PWM驱动信号)后，每相的PWM波形的占空比和频率值均相同，每相的PWM波形仅相差一个相位角θ。
PWM生成模块根据获得的占空比D和频率值f输出一组互补的PWM波形，即开关管S1，S2的驱动信号互补，S1开通时，S2为关断状态，S1关断时，S2为开通状态，且其中一个关断时，另一个经历死区时间之后再开通，如图5，且每一对开关管的驱动信号存在死区以防止电源直通而损坏电路。PWM驱动信号控制开关管的开通和关断，用来控制多相交错双向变换器的功率部分的能量流动；
由双环得到的占空比值和频率控制回路得到的频率值，即可生成相应的PWM波形，控制逆变器的开关管上下管导通或者关断。
如图7所示，多相交错双向变换器中每一相可以独立工作，对于双向交错并联DC/DC电路，并在一起就是把电感L1和L2左端连在一起，并在一起是为了增大总输出电流，但不能直接并联，每一相有个相位差，图7中相差180度。图7中，黑色框是一相，灰色框是一相，S1～S4为驱动信号，用于驱动IGBT。
由于buck和boost两种模式下的输入和输出是不同的，因此，本发明在计算频率值时会判断当前的模式，选择恰当的计算公式计算频率值。
本发明经过了仿真验证，通过PWM-PMF控制系统，能够极大程度减小反向电流，提高Buck/Boost电路软开关的工作效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种交错双向Buck/Boost电路软开关PWM-PFM控制系统，其特征在于，包括PWM控制模块，PMF控制模块，PWM生成模块和逆变器、多相交错双向变换器；
其中，每相交错双向Buck/Boost电路中，所述PWM控制模块用于根据输出闭环控制产生一个占空比值D，PMF控制模块用于基于占空比值D产生频率值信号f，PWM生成模块用于根据获得的占空比D和频率值f输出一组互补的PWM控制信号，得到逆变器中两个开关管的互补的驱动信号，以控制所述逆变器中两个开关管中的上、下管的导通和关断，多相交错双向变换器是将N个单相双向变换器的输入端并在一起，输出端并在一起，并且每个PWM驱动信号相差θ＝2π/N实现，N为交错并联相数，PWM驱动信号用来控制多相交错双向变换器的功率部分的能量流动。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PWM控制模块具体用于将电压给定信号Uref与输出电压反馈信号Ulow比较得到电压误差，经过PI电压调节器产生电感电流给定信号Iref，再与电感电流反馈信号比较而得的电流误差信号经过PI电流调节器形成占空比控制量D。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述PWM控制模块具体用于采集逆变器反馈的输出电流值Ilow、输出电压值Ulow以及设定的电感最小反向电流值Izvs，基于占空比值D通过计算得到频率信号f。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，PWM生成模块具体用于根据获得的占空比D和频率值f输出一组互补的PWM控制信号，得到逆变器中两个开关管的互补的驱动信号，使得其中一个开关管开通时，另一个开关管为关断状态，其中一个开关管关断时，另一个开关管为开通状态，且其中一个关断时，另一个经历死区时间之后再开通。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述PWM控制模块采用内外双闭环控制方法实现。
6.一种利用权利要求4所述的系统实现多相交错双向Buck/Boost电路软开关PWM-PFM控制的方法，其特征在于，该方法在软开关PWM-PFM控制中，加入频率变量，将每个周期的电感能量分解到多个小周期上，以减小电感反向电流的最小值，频率越高，电感纹波也相应越小，电感反向电流也会相应减小。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：所述PWM控制模块采用内外双闭环控制方法，将电压给定信号Uref与输出电压反馈信号Ulow比较得到电压误差，经过PI电压调节器产生电感电流给定信号Iref，再与电感电流反馈信号比较而得的电流误差信号经过PI电流调节器形成占空比控制量D；
所述PWM控制模块采集逆变器反馈的输出电流值Ilow、输出电压值Ulow以及设定的电感最小反向电流值Izvs，基于占空比值D通过计算得到频率信号f；
PWM生成模块根据获得的占空比D和频率值f输出一组互补的PWM控制信号，得到逆变器中两个开关管的互补的PWM驱动信号，使得其中一个开关管开通时，另一个开关管为关断状态，其中一个开关管关断时，另一个开关管为开通状态，且其中一个关断时，另一个经历死区时间之后再开通。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述PWM控制模块计算频率信号f的方法为：
Buck方向：
Figure FDA0003144946300000031
其中，dt＝(1-D)×Ts，ILOW＝N×ILav，di＝2ILav+2IZVS；
可得
Figure FDA0003144946300000032
其中，Ts是周期，采集的输出电流为Ilow，输出电压为Ulow，占空比为D，T为开关管的工作周期，反向参考电流为Izvs，L为电感感值；
Boost方向：
Figure FDA0003144946300000033
其中dt＝(1-D)×Ts，Ihigh＝N×ILav，ILav＝IL×(1-D)，di＝2IL+2IZVS；
IL为电感放电平均电流，求得
Figure FDA0003144946300000034
其中，电流Ihigh，电压Vhigh均为boost电路高压侧的输出变量。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，多相交错双向变换器中，将N个单相双向变换器的电感一端连接在一起，且每一相有一个相位差，两相交错相差180度，四相交错相差90度；PWM控制模块计算频率信号f每个周期计算一次，得到一组PWM波形后，每相的PWM波形的占空比和频率值均相同，每相的PWM波形仅相差一个相位角θ。
10.一种如权利要求6至9中任一项所述方法在DC/DC电力变换技术领域中的应用。
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