CN114665722B - 基于开关电流限制的输入均压控制方法、系统及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于开关电流限制的输入均压控制方法、系统及介质，该方法包括：输入均压环采样谐振拓扑中每个DC/DC模块的输入电压，将每个模块的输入电压与总输入电压的平均值进行比较，计算补偿后电压，并叠加到输出电压环的补偿电压上，控制每个模块的输入电压相等；补偿后电压经过占空比单元产生变频占空比信号；当谐振拓扑的母线跃变引起开关电流增长时，将增长后的开关电流与阈值相比较；若增长后的开关电流超过阈值，则RS触发器发出复位信号，就将占空比信号斩波，通过调频+占空比的双重调制，限制开关电流的进一步增长。本发明解决了谐振类拓扑在进行串联组合后分压不均、母线波动引起开关电流较大的问题。

Description

基于开关电流限制的输入均压控制方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及变换器技术领域，尤其涉及一种基于开关电流限制的输入均压控制方法、系统及存储介质。
背景技术
如图1和图2所示，DC/DC变换器的输入串联连接有两种类型，一种是输入串联输出并联(ISOP)，另外一种是输入串联输出串联(ISOS)，这两种连接方式适用于直流高压变换。电网供电系统中换流阀的辅助源即高压取能电源，直流母线电压高达3000V，将高压转换为供IGBT驱动使用的低压12-24V；海洋船舶的远距离输电系统，通常采用直流高压无交变磁场，绝缘材料老化慢使用寿命长，输电电压达到数十kV；轨道交通供电，电动汽车车载充电机中的直流母线均是800-2000V左右具有较高直流电压的应用场合。
目前，国内外对基于输入串联型DC/DC变换器的均压方法研究已经有二十余年，积累了多种有效地均压均流方法，可将现有的方法分成以下三种类型：
(1)自然均压均流法
自然均流控制法利用拓扑自身的特性，在没有专用的均压均流环的基础上自然实现模块间的平均运行。同占空比控制方式是一种最简单的自然均压方法，可应用于一些拓扑的ISOP和IPOS连接中。该方法使所有模块公用一个输出的电压环调节系统输出电压，补偿后的占空比再作用于所有模块中，利用输出端并联连接限定了输出电压相等，从而得到各个模块平均运行。另一种比较具有代表性的自然均压均流法是无中心控制器法，利用环路使每个模块的输出电压不再是恒定的，而是随着输入电压或者输出电流线性改变，当模块组合后可自动平均运行，该方法使各个模块完全独立互不影响，独立性强，实现真正的模块化，输出电压鲁棒性与均压误差需要折中。目前LLC谐振拓扑在进行单向组合时可应用该技术获得平均运行。最后一类自然均压的方法是利用公用拓扑间的电感电容等器件，多个模块公用一个集成变压器，由法拉第定律限制每个模块的功率相等，这种方法不需要额外的均压控制电路，整个组合系统可看做一个变换器，各个模块不独立。
(2)专用控制环路的均压均流法
上述自然均压均流法没有采用专用的均压/均流环路去控制模块的功率绝对相等，因此会有参数差异造成模块之间的均压均流效果不佳的问题。从输入端进行均压的控制策略通过采样各个模块输入电压在主输出电压环上叠加输入均压环变量，能够精确控制各个模块的电压值，在此基础上采样输出电流加入反馈控制，提高系统对母线和负载波动的抑制能力；这类从输入端均压的方法需要隔离采样输入端的高压值，成本一般较高同时具有高压隔离的问题，但是均压的稳态误差小，动态响应快，可得到最佳的控制效果。另一类从输出端进行均压/均流的方式，通过采样输出电压/电流，在主输出电压环上叠加输出均压/均流环，能够精确控制各个模块的输出电流/电压值。
(3)有源均流法
有源均流法是通过在每个模块的输入端添加有源控制单元，此类方法将每个模块看作黑盒，无需了解模块内部结构，而是直接视为积木进行扩展连接。每个模块输入端通常需要并联均压结构如线性开关管，或电感电容等能量调节器件，该类措施提供的均压环路带宽高，均压特性好，而且无需设计模块内部的拓扑等参数，直接采购现有的电源模块单元进行拼接即可，但是添加的输入均压单元额外增加了器件导致系统成本上升，并且系统输入输出受限于市面已有的模块。
目前，谐振变换器常用作直流变压器工作在开环状态，与其他DC/DC调压拓扑进行级联，这种级联结构功率器件多，成本提高，而且产生损耗的元件增加，在宽范围工作时效率也将不够理想。谐振变换器作为独立模块进行组合尚有几个关键问题待解决，首先谐振变换器的变换过程参数多，输出电压依赖于参数的阻抗，在组合时不同模块的参数差异导致的影响较大；其次，谐振变换器在动态过程中的表现不佳，负载进行切载时，整个系统的增益曲线跃变，易进入容性区，开关管开通过程失去软开关而损坏；在母线跃变时，提升的母线电压将使谐振电流瞬间增大，开关管的关断电流增加同样引起管子损坏。这些问题在谐振拓扑进行组合后将更加严重，影响系统可靠性，急需一种适用于谐振模块的均压控制方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于开关电流限制的输入均压控制方法、系统及存储介质，旨在解决谐振类拓扑在进行串联组合后有分压不均，以及母线波动引起开关电流较大的问题。
为了达到上述目的，本发明提出一种基于开关电流限制的输入均压控制方法，所述方法应用于基于开关电流限制的输入均压控制系统中，所述系统包括输入均压环、输出电压环和开关电流限制环，所述开关电流限制环包括占空比产生单元、RS触发器和运算放大单元，所述方法包括以下步骤：
输入均压环采样谐振拓扑中每个DC/DC模块的输入电压vin1，vin2...vinN，将每个模块的输入电压与总输入电压的平均值进行比较，计算补偿后电压v1，v2...vN，将补偿后电压v1，v2...vN叠加到输出电压环的补偿电压vc上，控制每个模块的输入电压相等；
所述补偿后电压v1，v2...vN经过所述占空比单元产生变频占空比信号；
当谐振拓扑的母线跃变引起开关电流is1...isN的增长时，将增长后的开关电流与阈值iref相比较；
若增长后的开关电流超过阈值iref，则所述RS触发器发出复位信号，就将所述占空比信号斩波为d1...dN，通过调频+占空比的双重调制，限制开关电流的进一步增长。
本发明进一步的技术方案是，所述补偿后电压v1，v2...vN经过所述占空比单元产生变频占空比信号的步骤之前还包括：
根据所述补偿后电压v1，v2...vN计算得到频率值fc1；
所述将增长后的开关电流与阈值iref相比较的步骤之后还包括：
所述占空比产生单元将所述频率值fc1转换成该频率47％占空比的PWM波，并将所述频率值fc1与可发波的最高频率fmax比较；
当谐振拓扑工作在轻载、空载或启动时，反馈环路计算的频率值fc1超过最高频率后，将按照最高频率进行丢波处理。
为实现上述目的，本发明还提出一种基于开关电流限制的输入均压控制系统，所述系统包括输入均压环、输出电压环和开关电流限制环，所述开关电流限制环包括占空比产生单元、RS触发器和运算放大单元，所述系统还包括存储器、处理器、以及存储在所述处理器上的基于开关电流限制的输入均压控制程序，所述基于开关电流限制的输入均压控制程序被所述处理器运行时执行如上所述的方法的步骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有基于开关电流限制的输入均压控制程序，所述基于开关电流限制的输入均压控制程序被处理器运行时执行如上任意一项所述的方法的步骤。
本发明基于开关电流限制的输入均压控制方法、系统及存储介质的有益效果是：本发明通过上述技术方案，输入均压环采样谐振拓扑中每个DC/DC模块的输入电压vin1，vin2...vinN，将每个模块的输入电压与总输入电压的平均值进行比较，计算补偿后电压v1，v2...vN，将补偿后电压v1，v2...vN叠加到输出电压环的补偿电压vc上，控制每个模块的输入电压相等；所述补偿后电压v1，v2...vN经过所述占空比单元产生变频占空比信号；当谐振拓扑的母线跃变引起开关电流is1...isN的增长时，将增长后的开关电流与阈值iref相比较；若增长后的开关电流超过阈值iref，则所述RS触发器发出复位信号，就将所述占空比信号斩波为d1...dN，通过调频+占空比的双重调制，限制开关电流的进一步增长，能够针对双向谐振类型拓扑串联组合后均压精度差与均压动态特性差的问题，基本消除组合后系统运行的稳态输入均压误差，同时可实现在母线大范围波动时快速均压，控制开关管的电流在允许值以内提高系统的动态可靠性,此外，采用的调频+调占空比+丢波的控制方式能够拓宽双向组合谐振系统的工作范围。
附图说明
图1是现有技术中DC/DC模块ISOP连接示意图；
图2是现有技术中DC/DC模块ISOS连接示意图；
图3是本发明基于开关电流限制的输入均压控制方法较佳实施例的流程示意图；
图4是本发明基于开关电流限制的输入均压控制方法较佳实施例的原理框图；
图5是占空比产生单元的内部结构示意图。
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。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图3，本发明提出一种基于开关电流限制的输入均压控制方法，所述方法应用于基于开关电流限制的输入均压控制系统中，所述系统包括输入均压环、输出电压环和开关电流限制环，所述开关电流限制环包括占空比产生单元、RS触发器和运算放大单元。
如图3所示，本发明基于开关电流限制的输入均压控制方法较佳实施例包括以下步骤：
步骤S10，输入均压环采样谐振拓扑中每个DC/DC模块的输入电压vin1，vin2...vinN，将每个模块的输入电压与总输入电压的平均值进行比较，计算补偿后电压v1，v2...vN，将补偿后电压v1，v2...vN叠加到输出电压环的补偿电压vc上，控制每个模块的输入电压相等。
步骤S20，所述补偿后电压v1，v2...vN经过所述占空比单元产生变频占空比信号。
步骤S30，当谐振拓扑的母线跃变引起开关电流is1...isN的增长时，将增长后的开关电流与阈值iref相比较。
步骤S40，若增长后的开关电流超过阈值iref，则所述RS触发器发出复位信号，就将所述占空比信号斩波为d1...dN，通过调频+占空比的双重调制，限制开关电流的进一步增长。
进一步地，本实施例中，所述步骤S20，补偿后电压v1，v2...vN经过所述占空比单元产生变频占空比信号的步骤之前还包括：
步骤S200，根据所述补偿后电压v1，v2...vN计算得到频率值fc1。
所述步骤S30，将增长后的开关电流与阈值iref相比较的步骤之后还包括：
所述占空比产生单元将所述频率值fc1转换成该频率47％占空比的PWM波，并将所述频率值fc1与可发波的最高频率fmax比较；
当谐振拓扑工作在轻载、空载或启动时，反馈环路计算的频率值fc1超过最高频率后，将按照最高频率进行丢波处理。
以下结合图1至图5对本发明基于开关电流限制的输入均压控制方法进行进一步地阐述。
多个DC/DC模块的输入端串联连接有两种方式，分别如图1和图2所示，即输入串联输出并联连接(Input series output parallel，ISOP)和输入串联输出串联连接(ISOS连接)。本发明提出一种基于开关电流限制的输入均压控制方法，应用于多个双向谐振类变换器ISOP和ISOS连接的均压中。
针对谐振类拓扑在进行串联组合后有分压不均，以及母线波动引起开关电流较大的问题，本发明提出的控制方法的原理框图如图4所示，其中vin1，vin2…vinN是每个模块的输入电压，vo是组合系统的输出电压，Vref是输出电压的参考电压，is1，is2…isN是每个模块的开关电流，iref是最大开关电流的限制值，v1,v2…vN是输入均流环补偿后的电压值，vc是输出电压环补偿后的电压值。图中的占空比d是由输入均压环和电压环补偿后产生的中间占空比，而d1，d2…dN是提供给模块1～模块N的最终占空比。
控制策略中包括输入均压环和输出电压环以及开关电流的限制环，在双向ISOP和ISOS连接中应用，输入电压环快速调整模块间的输入电压相等，输出电压环控制输出电压为参考值，开关电流限制环保证开关管的关断电流不超限，同时大大地提高了组合变换器母线端扰动的抑制能力，保证组合后的系统宽范围工作。输入均压环采样每个模块的输入电压vin1，vin2...vinN，每个模块将自己的输入电压与总输入电压的平均值进行比较，计算补偿后电压v1...vN叠加到输出电压环的补偿电压vc上，控制每个模块的输入电压相等。这两个环路得到的补偿电压经过占空比产生单元产生变频占空比接近50％的波形d。当系统的母线跃变时，首先引起开关电流is1...isN的增长，而增长后的开关电流一旦超过阈值iref，使RS触发器发出复位信号，将接近50％的占空比斩波为d1...dN，通过调频+占空比的双重调制，限制开关电流的进一步增长。此外，图4中的占空比产生单元也用于实现启动的丢波模式，保证启动和轻载的情况下的稳定运行。图4中每个模块只画出一对管子的占空比产生原理，另一对原理相同。该控制策略综合了调频+占空比+丢波的多重控制手段适应谐振变换器的空载、轻载额定负载及宽输入电压变换的不同工作区域。图4中占空比产生单元内部原理图如图5所示，
补偿计算得到的频率值fc1送入图5的占空比产生单元，经过变换后，输出占空比信号d送入图4中的RS触发器的S端，占空比产生单元将环路补偿后计算的频率值fc1转换成该频率47％占空比的PWM波，并且将补偿后计算的频率值fc1与可发波的最高频率fmax比较，当谐振拓扑工作在轻载、空载或启动时，反馈环路计算的频率超过最高频率后，将按照最高频率进行丢波处理。
本发明基于开关电流限制的输入均压控制方法的有益效果是：本发明通过上述技术方案，输入均压环采样谐振拓扑中每个DC/DC模块的输入电压vin1，vin2...vinN，将每个模块的输入电压与总输入电压的平均值进行比较，计算补偿后电压v1，v2...vN，将补偿后电压v1，v2...vN叠加到输出电压环的补偿电压vc上，控制每个模块的输入电压相等；所述补偿后电压v1，v2...vN经过所述占空比单元产生变频占空比信号；当谐振拓扑的母线跃变引起开关电流is1...isN的增长时，将增长后的开关电流与阈值iref相比较；若增长后的开关电流超过阈值iref，则所述RS触发器发出复位信号，就将所述占空比信号斩波为d1...dN，通过调频+占空比的双重调制，限制开关电流的进一步增长，能够针对双向谐振类型拓扑串联组合后均压精度差与均压动态特性差的问题，基本消除组合后系统运行的稳态输入均压误差，同时可实现在母线大范围波动时快速均压，控制开关管的电流在允许值以内提高系统的动态可靠性,此外，采用的调频+调占空比+丢波的控制方式能够拓宽双向组合谐振系统的工作范围。
为实现上述目的，本发明还提出一种基于开关电流限制的输入均压控制系统，所述基于开关电流限制的输入均压控制系统包括输入均压环、输出电压环和开关电流限制环，所述开关电流限制环包括占空比产生单元、RS触发器和运算放大单元，所述系统还包括存储器、处理器、以及存储在所述处理器上的基于开关电流限制的输入均压控制程序，所述基于开关电流限制的输入均压控制程序被所述处理器运行时执行如上实施例所述的方法的步骤，这里不再赘述。
为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有基于开关电流限制的输入均压控制程序，所述基于开关电流限制的输入均压控制程序被处理器运行时执行如上实施例所述的方法的步骤，这里不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于开关电流限制的输入均压控制方法，其特征在于，所述方法应用于基于开关电流限制的输入均压控制系统中，所述系统包括输入均压环、输出电压环和开关电流限制环，所述开关电流限制环包括占空比产生单元、RS触发器和运算放大单元，所述方法包括以下步骤：
输入均压环采样谐振拓扑中每个DC/DC模块的输入电压vin1，vin2...vinN，将每个模块的输入电压与总输入电压的平均值进行比较，计算补偿后电压v1，v2...vN，将补偿后电压v1，v2...vN叠加到输出电压环的补偿电压vc上，控制每个模块的输入电压相等；
根据所述补偿后电压v1，v2...vN计算得到频率值fc1，补偿计算得到的所述频率值fc1经过所述占空比产生单元产生变频占空比信号；
当谐振拓扑的母线跃变引起开关电流is1...isN增长时，将增长后的开关电流与阈值iref相比较；
若增长后的开关电流超过阈值iref，则所述RS触发器发出复位信号，就将所述占空比信号斩波为d1...dN，通过调频+占空比的双重调制，限制开关电流的进一步增长。
2.根据权利要求1所述的基于开关电流限制的输入均压控制方法，其特征在于，
所述将增长后的开关电流与阈值iref相比较的步骤之后还包括：
所述占空比产生单元将所述频率值fc1转换成该频率47％占空比的PWM波，并将所述频率值fc1与可发波的最高频率fmax比较；
当谐振拓扑工作在轻载、空载或启动时，反馈环路计算的频率值fc1超过最高频率后，将按照最高频率进行丢波处理。
3.一种基于开关电流限制的输入均压控制系统，所述系统包括输入均压环、输出电压环和开关电流限制环，所述开关电流限制环包括占空比产生单元、RS触发器和运算放大单元，所述系统还包括存储器、处理器、以及存储在所述处理器上的基于开关电流限制的输入均压控制程序，所述基于开关电流限制的输入均压控制程序被所述处理器运行时执行如权利要求1或2任意一项所述的方法的步骤。
4.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有基于开关电流限制的输入均压控制程序，所述基于开关电流限制的输入均压控制程序被处理器运行时执行如权利要求1或2任意一项所述的方法的步骤。
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Title
A Review of Voltage/Current Sharing Techniques for Series–Parallel-Connected Modular Power Conversion Systems;Dajun Ma等;《IEEE Transactions on Power Electronics》;20200403;第35卷(第11期);第12383-12400页 *
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