CN115149807A - 多电平直流变换器和飞跨电容的电压控制方法、控制装置 - Google Patents

多电平直流变换器和飞跨电容的电压控制方法、控制装置 Download PDF

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CN115149807A CN202210715575.6A CN202210715575A CN115149807A CN 115149807 A CN115149807 A CN 115149807A CN 202210715575 A CN202210715575 A CN 202210715575A CN 115149807 A CN115149807 A CN 115149807A
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Abstract

本申请实施例提供一种多电平直流变换器和飞跨电容的电压控制方法、控制装置。其中，多电平直流变换器包括控制器、飞跨电容、两个开关管组和电感。飞跨电容的控制方法包括：响应于飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值，根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。采用本申请实施例，可以对飞跨电容的电压进行控制，提高了多电平直流变换器运行的稳定性。

Description

多电平直流变换器和飞跨电容的电压控制方法、控制装置
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，尤其是一种多电平直流变换器和飞跨电容的电压控制方法、控制装置。
背景技术
多电平直流变换器通过增加飞跨电容，可降低输入电压在各开关管上的电压应力。以带有飞跨电容的三电平直流变换器为例，可以通过飞跨电压储存一半输入电压，使得输出电平有0、1/2和1三种，其变化幅度为两电平拓扑的一半，进而可以使用低耐压的开关管来提升电子系统的性能。
目前，可以通过判断电感的电流方向，调整开关管组中的第一开关管(或第二开关管)之间的占空比的差值，来调整飞跨电容的充放电时间，以实现对飞跨电容的电压进行控制。但是在电感电流很小，电感电流为高频三角波在正负之间反复切换的情况下，根据瞬时的电流方向控制飞跨电容的电压，对控制芯片有极高的要求，无法适用于实际的工程中。即便将开关管组中的第一开关管(或第二开关管)之间的占空比的差值调的很大，也无法将飞跨电压有效地升高或者降低，达不到将飞跨电容的电压稳定在目标值的控制目标。
发明内容
本申请实施例公开了一种多电平直流变换器和飞跨电容的电压控制方法、控制装置，可以对飞跨电容的电压进行控制，提高了多电平直流变换器运行的稳定性。
第一方面，本申请实施例公开了一种多电平直流变换器，该多电平直流变换器包括至少一个飞跨电容、与飞跨电容连接的两个开关管组、与各个开关管组和多电平直流变换器的低压电源的正极端连接的电感，以及用于控制开关管组的控制器；其中，开关管组均包括导通和关断状态互补的第一开关管和第二开关管，第一开关管连接多电平直流变换器的高压电源的一端，第二开关管连接多电平直流变换器的高压电源的另一端；控制器用于在飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值的情况下，根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
其中，多电平直流变换器，或者可以称为多电平直流转换器，用于进行直流(direct current，DC)-直流的电能变换，例如，可以升压变换，也可以降压变换。本申请对于多电平直流变换器的具体类型不做限定，可以为三电平直流变换器、五电平直流变换器、七电平直流变换器等。多电平直流变换器对应的多电平拓扑是指输出电平至少有三种状态，例如，输出电平有1、1/2和0三种状态则称为三电平拓扑，输出电平有1、3/4、1/2、1/4和0五种状态则称为五电平拓扑。
第一开关管和第二开关管可以为场效应管(field-effect transistor，FET)、金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、结型场效应管(junction field-effect transistor，JFET)及其并联二极管等，在此不作限定。
控制器可以为脉宽调制(pulse width modulation，PWM)器、或者基于PWM技术的电池管理系统(battery management system，BMS)、微控制单元(micro control unit，MCU)、中央处理单元(central processing unit，CPU)、其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，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。该控制器可以是一个芯片或者多个具有通信连接的芯片。控制器可以包括各个开关管分别对应的控制单元，或者可以包括开关管组对应的控制单元，例如，开关管组中的第一开关管和第二开关管对应的脉宽调制器等，在此不做限定。
飞跨电容的采样电压是采集到的实时电压。飞跨电容的参考电压是飞跨电容待调整的目标值。电感的电流或称为电感电流，可以为瞬时的电流值或平均值。
本申请对于第一阈值不做限定，可以为0等。可以理解，若飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值，则表示飞跨电容的电压还未调整为目标值(例如，三电平直流变换器的目标值可以为1/2倍的高压电源的电压)，可以继续调整飞跨电容一侧的开关管之间的占空比差，或该侧的第一开关管载波之间的相位差，从而对飞跨电容的电压进行控制，可以减小多电平直流变换器的电压应力。若飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值小于或等于第一阈值，则表示飞跨电容的电压已调整为目标值，可以保持当前的工作状态继续工作。如此，可以提高多电平直流变换器运行的稳定性。
结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，控制器具体用于在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且飞跨电容的采样电压小于参考电压的情况下，增大两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。如此，可以升高飞跨电容的电压。
结合第一方面，在第二种可能的实现方式中，控制器具体用于在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且飞跨电容的采样电压大于参考电压的情况下，减小两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。如此，可以减小飞跨电容的电压。
结合第一方面，或者第一种可能的实现方式，或者第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，控制器具体用于在电感电流小于第二阈值的情况下，调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
结合第一方面，在第四种可能的实现方式中，控制器具体用于在电感电流大于第三阈值的情况下，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差。
结合第一方面，或者第一种可能的实现方式，或者第二种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，控制器具体用于在电感电流大于或等于第二阈值，且小于或等于第三阈值的情况下，根据上一时刻的调整方法调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
本申请对于第二阈值和第三阈值的大小不做限定，第二阈值小于第三阈值。可以理解，若电感的电流小于第二阈值，则表示电感电流较小，可能为轻载的情况，可以在不调整占空比差的前提下，通过移相控制的方法，对两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差进行调整。若电感的电流大于第三阈值，则表示电感电流较大，可能为重载的情况，可以在不调整相位差的前提下，通过调整占空比的方法，对两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差进行调整。若电感的电流大于或等于第二阈值，且小于或等于第三阈值，可能为轻载和重载的中间状态，可以采用上一时刻的调整方式进行调整，例如，若上一时刻采用移相控制的方法，则继续采用移相控制的方法；若上一时刻采用调整占空比的方法，则继续采用调整占空比的方法。如此，可以通过以上三种情况实现飞跨电压的控制，使得控制的飞跨电容的电压保持平滑过渡。
第二方面，本申请实施例公开了一种飞跨电容的电压控制方法，飞跨电容应用于多电平直流变换器中，多电平直流变换器还包括两个开关管组、电感和控制器，各个开关管组均包括导通和关断状态互补的第一开关管和第二开关管；电压控制方法包括：在飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值的情况下，根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。如此，可以在确定飞跨电容的电压未调整至目标值的情况下，继续调整飞跨电容一侧的开关管之间的占空比差，或该侧的开关管载波之间的相位差，从而对飞跨电容的电压进行控制，提高了多电平直流变换器运行的稳定性。
结合第二方面，第一种可能的实现方式中，根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，包括：在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且飞跨电容的采样电压小于参考电压的情况下，增大两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
结合第二方面，第二种可能的实现方式中，根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，包括：在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且飞跨电容的采样电压大于参考电压的情况下，减小两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
结合第二方面，第三种可能的实现方式中，根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，包括：在电感电流小于第二阈值的情况下，控制器调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
结合第二方面，第四种可能的实现方式中，控制器根据电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，包括：响应于电流大于第三阈值，控制器调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差。
结合第二方面，第五种可能的实现方式中，控制器根据电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，包括：响应于电流大于或等于第二阈值，且小于或等于第三阈值，控制器根据上一时刻的调整方法调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
第三方面，本申请实施例公开了一种控制装置。该控制装置包括控制器和存储器；其中，存储器用于存储指令，控制器用于调用该存储器中存储的指令，执行第二方面中的方法。
应理解的是，本申请上述多个方面的实现和有益效果可互相参考。
附图说明
以下对本申请实施例用到的附图进行介绍。
图1为本申请实施例提供的一种光伏发电系统的架构示意图；
图2为本申请实施例提供一种三电平直流变换器的电路图；
图3为本申请实施例提供的一种多电平直流变换器的结构示意图；
图4～图9为本申请提出的一种三电平直流变换器的工作模式图；
图10～图13为分别为本申请提出的占空比差和相位差与飞跨电压之间的关系图；
图14为本申请实施例提供的一种控制器调整飞跨电容的电压的流程示意图；
图15为本申请实施例提供的一种飞跨电容的电压控制方法的流程示意图。
具体实施方式
本申请中所描述的“连接”指的是直接或间接连接。例如，A与B连接，既可以是A与B直接连接，也可以是A与B之间通过一个或多个其它电学元器件间接连接。例如，可以是A与C直接连接，C与B直接连接，从而使得A与B之间通过C实现了连接。连接还可以称为耦合，或电连接等，在此不做限定。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请实施例涉及一种多电平直流变换器，或者可以称为多电平直流转换器，用于进行直流(direct current，DC)-直流的电能变换，例如，可以升压变换，也可以降压变换，本申请实施例对此不做具体限定。且本申请实施例对于多电平直流变换器的应用场景不做限定，可以适用于不同类型的用电设备(如电网、家用设备或者工业和商业用电设备)，可应用于用户终端(例如，手机、智能设备、电视机等)领域、汽车领域等用电设备领域，可适配于为大型用电设备(例如，电网、工业设备等)的供电场景、中小型分布式用电设备(例如，车载用电设备、家庭用电设备等)的供电场景以及移动用电设备(例如，手机、智能设备等)供电场景等不同应用场景。
示例性地，请参阅图1，图1为本申请实施例中提供的一种光伏发电系统的架构示意图。如图1所示，该光伏发电系统包括光伏组件、多电平直流变换器、蓄电池组、逆变电路、直流负载、交流负载以及电网。在该光伏发电系统中，太阳能被光伏组件转换成直流电能。直流电能通过多电平直流变换器进行升压，升压后的直流电能可以供给直流负载，或者可以存储至蓄电池组中，或者可以通过逆变器转换成交流电能，以使交流电能供给交流负载或并到电网中。
本申请对于多电平直流变换器的具体类型不做限定，可以为三电平直流变换器、五电平直流变换器、七电平直流变换器等。多电平直流变换器对应的多电平拓扑是指输出电平至少有三种状态，例如，输出电平有1、1/2和0三种状态则称为三电平拓扑，输出电平有1、3/4、1/2、1/4和0五种状态则称为五电平拓扑。此外，多电平拓扑电路又分为二极管钳位型多电平拓扑电路、飞跨电容钳位型多电平拓扑电路等形式。本申请中涉及的多电平直流变换器的拓扑电路可以为飞跨电容钳位型多电平拓扑电路，即包括飞跨电容。
为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例提供的技术方案，下面以三电平直流变换器为例，请参照图2，图2为本申请实施例提供一种三电平直流变换器的电路图。如图2所示，三电平直流变换器包括高压电源VH、电容C1、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、飞跨电容Cfly、电感L1、电容C2和低压电源VL。
其中，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4可以为场效应管(field-effecttransistor，FET)、金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolartransistor，IGBT)、结型场效应管(junction field-effect transistor，JFET)及其并联二极管等，在此不作限定。
开关管Q1的漏极与高压电源VH(并联的电容C1)的正极端连接，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极和飞跨电容Cfly的一端连接。飞跨电容Cfly的另一端连接开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极。开关管Q2的源极和开关管Q3的漏极连接电感L1的一端，电感L1的另一端与低压电源VL(并联的电容C2)的负极端连接。
在本申请实施例中，可以根据飞跨电容Cfly与开关管之间的连接关系，将开关管进行分组，得到与飞跨电容Cfly连接的两个开关管组。例如，开关管Q1和开关管Q4为一个开关管组，开关管Q2和开关管Q3为一个开关管组。进一步的，还可以根据开关管与多电平直流变换器的高压电源VH之间的连接关系，将开关管组中与高压电源VH的一端连接的开关管称为第一开关管，将开关管组中与高压电源VH的另一端连接的开关管称为第二开关管。示例性地，第一开关管连接的是高压电源VH的正极端，则第一开关管可以为开关管Q1和开关管Q2。第二开关管连接的是高压电源VH的负极端，第二开关管可以为开关管Q4和开关管Q3。
一个开关管组中的第一开关管和第二开关管的导通和关断状态互补。示例性地，开关管Q1和开关管Q4之间的导通和关断状态互补，则开关管Q1处于导通状态时，开关管Q4处于关断状态。开关管Q1处于关断状态，开关管Q4处于导通状态。如此，可以通过开关管组中的第一开关管和第二开关管中导通的开关管的载波传递电流信号。
由于同一个开关管组内的第一开关管和第二开关管之间的导通和关断状态互补，若开关管组中的第一开关管关断，需控制该开关管组中的第二开关管导通。若开关管组中的第一开关管闭合，需控制该开关组中的第二开关管关断。下文以控制开关管组中的第一开关管的方法进行描述，控制该开关管组中的第二开关管的方法可参照控制第一开关管的方法的描述进行对应调整。下文以控制开关管组中的第一开关管的方法进行描述，控制该开关管组中的第二开关管的方法可参照控制第一开关管的方法的描述进行对应调整。
本申请以一个飞跨电容进行举例说明，实际上，还可以为2个或多个。例如，图2中未示出的与飞跨电容Cfly串联的另一飞跨电容。或者五电平直流变换器中可存在2个飞跨电容，一个飞跨电容与第一开关管组和第二开关管组并联，其中，第二开关管组包括第一子开关组和第二子开关组，且第一子开关组和第二子开关组与另一个飞跨电容并联。本申请对于电感的大小和数量不做限定，多电平直流变换器还可以包括与电感连接的电容、电阻等。
三电平直流变换器还可以包括图3中的用于控制开关管组的控制器101。该控制器101可以为脉宽调制(pulse width modulation，PWM)器、或者基于PWM技术的电池管理系统(battery management system，BMS)、微控制单元(micro control unit，MCU)、中央处理单元(central processing unit，CPU)、其他通用处理器、数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，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。该控制器可以理解为一个芯片或者多个具有通信连接的芯片。控制器可以包括各个开关管分别对应的控制单元，或者可以包括开关管组对应的控制单元，例如，开关管Q1和开关管Q4对应的脉宽调制器，开关管Q2和开关管Q3对应的脉宽调制器等，在此不做限定。
通过PWM技术可以调制开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4的载波，并控制开关管的导通和关断状态，实现功率的实时双向流动。当负载与三电平直流变换器的低压电源VL连接时，三电平直流变换器的输入端为高压电源VH，输出端为低压电源VL，三电平直流变换器的电流从高压电源VH流向低压电源VL。当负载与三电平直流变换器的高压电源VH连接时，三电平直流变换器的输入端为低压电源VL，输出端为高压电源VH，三电平直流变换器的电流从低压电源VL流向高压电源VH。
且还可以通过判断电感L1的电流方向，调整飞跨电容的充放电时间，以实现对飞跨电容的电压进行控制。示例性地，在开关管Q1和开关管Q3导通时，高压电源VH通过开关管Q1、开关管Q3和电感L1作用在低压电源VL上，如果电感L1的电流从高压电源VH流向低压电源VL(电流方向为正)，则飞跨电容Cfly充电，电压升高；如果电感L1的电流从低压电源VL流向高压电压VH(电流方向为负)，则飞跨电容Cfly放电，电压降低；在开关管Q2和开关管Q4导通时，飞跨电容Cfly通过开关管Q2、开关管Q4和电感L1作用在低压电源VL上，如果电感L1的电流方向为正，则飞跨电容Cfly放电，电压降低；如果电感L1的电流方向为负，则飞跨电容Cfly充电，电压升高。
在本申请实施例中，飞跨电容Cfly的电压可简称为飞跨电压，电感的电流可简称为电感电流。若电感电流相对较小，且电感电流为高频三角波在正负之间反复切换，此种情况可称为轻载。反之，电感电流相对较大，且电感电流恒为正，或恒为负，此种情况可称为重载。占空比的差值可以简称为占空比差，移相或相位的差值可以简称为相位差。移相控制的方法是在固定占空比的前提下，对相位进行调整。调整占空比的方法是在固定相位的前提下，对占空比进行调整。如此，可以提高调整的单一性，并保证影响的电压平滑变化。
三电平直流变换器稳态工作时，开关管Q1(开关管Q3)和开关管Q2(开关管Q4)的占空比相等，且移相180°，即开关管Q1载波和开关管Q2载波之间的相位差为180°。因此，可以通过调整开关管Q1和开关管Q2之间的占空比的差值(可简称为占空比差)，来实现三电平直流变换器的稳态运行。例如，在功率由高压电源VH向低压电源VL流动(电流从高压电源VH向低压电源VL流动)时，可以通过增大开关管Q1的占空比、减小开关管Q2的占空比，即增大开关管Q1和开关管Q2之间的占空比差来升高飞跨电压，反之可降低飞跨电压；在功率由低压电源VL向高压电源VH流动(电流从低压电源VL向高压电源VH流动)时，可以通过减小开关管Q1的占空比、增大开关管Q2的占空比，即减小开关管Q1和开关管Q2之间的占空比差来升高飞跨电压，反之可降低飞跨电压。
但是在轻载的情况下，根据瞬时的电流方向控制飞跨电容的电压，对控制芯片有极高的要求，无法适用于实际的工程中。即便将飞跨电容并联的开关管组中的第一开关管(例如，开关管Q1和开关管Q2)或第二开关管(例如，开关管Q3和开关管Q4)的占空比的差值调的很大，也无法将飞跨电容的电压有效地升高或者降低，达不到将飞跨电容的电压稳定在目标值的控制目标。
基于此，本申请提出一种多电平直流变换器，该多电平直流变换器中的控制器用于在飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值的情况下，根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
其中，飞跨电容的采样电压是采集到的实时电压。飞跨电容的参考电压是飞跨电容待调整的目标值。例如，三电平直流变换器的目标值可以为1/2倍的高压电源的电压。电感的电流或称为电感电流，可以为瞬时的电流值或平均值。本申请对于第一阈值不做限定，可以为0等。可以理解，若飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值，则表示飞跨电容的电压还未调整为目标值，可以继续调整并联在飞跨电容一侧的开关管之间的占空比差，或该侧的第一开关管载波之间的相位差，从而对飞跨电容的电压进行控制，可以减小多电平直流变换器的电压应力。若飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值小于或等于第一阈值，则表示飞跨电容的电压已调整为目标值，可以保持当前的工作状态继续工作。如此，可以提高多电平直流变换器运行的稳定性。
本申请对于如何调整相位差和占空比差的方法不做限定，以开关管Q1和开关管Q2进行举例，在确定调整占空比差之后，可以基于前述的根据电流方向的调整方法进行调整。例如，在电流从高压电源流向低压电源的情况下，若飞跨电容Cfly的采样电压小于参考电压，则可以增大两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，即增大开关管Q1的占空比、减小开关管Q2的占空比，来升高飞跨电压；或者在电流从高压电源流向低压电源的情况下，若飞跨电容Cfly的采样电压大于参考电压，则可以减小两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，即减小开关管Q1的占空比、增大开关管Q2的占空比，来降低飞跨电压；或者在电流从低压电源流向高压电源的情况下，若飞跨电容Cfly的采样电压小于参考电压，则可以减小两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，即减小开关管Q1的占空比、增大开关管Q2的占空比，来升高飞跨电压；或者在电流从低压电源流向高压电源的情况下，若飞跨电容Cfly的采样电压大于参考电压，则可以增大两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，即增大开关管Q1的占空比、减小开关管Q2的占空比，来降低飞跨电压。如此，在决策调整占空比差的情况下，根据电感电流的方向实现了飞跨电容Cfly的电压的调整。
相位差调整飞跨电容Cfly的原理为：增大第一开关管(或第二开关管)载波之间的相位差，使得飞跨电容Cfly的充电时间(面积)大于放电时间(面积)，从而增大飞跨电容Cfly的电压；减小第一开关管(或第二开关管)载波之间的相位差，使得飞跨电容Cfly的充电时间(面积)小于放电时间(面积)，从而减小飞跨电容Cfly的电压。因此，在一种可能的示例中，在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且飞跨电容Cfly的采样电压小于参考电压的情况下，增大两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差；或者在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且飞跨电容Cfly的采样电压大于参考电压的情况下，减小两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
本申请对于是采用调整相位差的方式还是调整占空比差的方式不做限定，可以先对多电平直流变换器的工况状态进行分析。请参照图4～图9，分别为本申请提出的一种三电平直流变换器的工作模式图。其中，V0为一个周期开始时的飞跨电压Vfly；V1为一个周期中的任一时间的飞跨电压Vfly；V2为一个周期结束时的飞跨电压Vfly；IL为电感电流，在下文中的公式中还以i(t)进行描述；N/A/B/C/M分别为电感电流IL的峰值；T0～T3为一个开关周期内不同阶段的时间点，考虑死区d在不同模式中引起续流回路有所不同，T0～T3的取值有所差异；m/k/n分别为图中所对应的直线的斜率。
下文中的P为开关周期，D1为开关管Q1的占空比，D2为开关管Q2的占空比。三电平直流变换器的占空比D可以理解为理想情况下变换器的稳态占空比，在理想情况下，三电平直流变换器的占空比D等于开关管Q1的占空比D1，且等于开关管Q2的占空比D2。实际由于飞跨电压偏离了目标值，则需要调整开关管Q1和开关管Q2之间的占空比差，或开关管Q1和开关管Q2载波之间的相位差。若占空比D小于0.5，则表示开关管Q1的占空比D1和开关管Q2的占空比D2均小于0.5。若占空比D大于0.5，则表示开关管Q1的占空比D1和开关管Q2的占空比D2均大于0.5。图4～图9分别对应模式一、模式二、模式三、模式四、模式五、模式六，其中：
模式一，占空比D小于0.5，电感电流IL恒为正，即为重载的情况。参照图4，T0＝D1P，
Figure BDA0003709360860000071
T3＝P。
模式二，占空比D小于0.5，电感电流IL恒为负，即为重载的情况。参照图5，T0＝(D1+2d)P，
Figure BDA0003709360860000072
T3＝P。
模式三，占空比D小于0.5，电感电流IL(t)可以为负，也可以为正，即为轻载的情况。参照图6，T0＝(D1+d)P，
Figure BDA0003709360860000073
T3＝P。
模式四，占空比D大于0.5，电感电流IL恒为正，即为重载的情况。参照图7，T0＝(1-D1)P，
Figure BDA0003709360860000081
T3＝P。
模式五，占空比D大于0.5，电感电流IL恒为负，即为轻载的情况。参照图8，T0＝[1-(D1+2d)]P，
Figure BDA0003709360860000082
T3＝P。
模式六，占空比D大于0.5，电感电流IL可以为负，也可以为正，即为轻载的情况。参照图9，T0＝[1-(D1+d)]P，
Figure BDA0003709360860000083
T3＝P。
通过合理建立坐标系，结合图4～图6中电感电流的续流回路，在模式一、模式二、模式三中，可以将死区d合并到占空比D1和占空比D2进行统一分析。结合图7～图9中电感电流的续流回路，在模式四、模式五、模式六中，可以将死区d合并到占空比D1和占空比D2进行统一分析。以下以模式一和模式四为例进行分析，其他模式类推即可。
在一个开关周期内，通过对流过飞跨电容的电流作积分，可得到飞跨电容的电压变化量，如式(1)。
Figure BDA0003709360860000084
计算式(1)中的公共部分得到式(2)，
Figure BDA0003709360860000085
其中，m、n、k的取值可参照下面的公式，公式中的L为电感的大小。
Figure BDA0003709360860000086
若固定开关管Q1(或开关管Q3)和开关管Q2(或开关管Q4)载波之间的相位差为180°，调节占空比D1和占空比D2，可以得到不同的占空比差对飞跨电压的影响。例如，在D<0.5时，将模式一中的时间T0～时间T3带入式(2)中可得式(3)，
Figure BDA0003709360860000087
在D>0.5时，将模式四中的时间T0～时间T3带入式(2)中可得式(4)，
Figure BDA0003709360860000088
若固定占空比D1和占空比D2的占空比D(可以为0～1中的任一固定的数值)，调节开关管Q1(或开关管Q4)和开关管Q2(或开关管Q3)载波之间的相位差为Δθ，可以得到不同的相位差对飞跨电压的影响，即移相控制对飞跨电压的影响。在D<0.5时，将模式一中的时间T0～时间T3带入式(2)中可得式(5)，
Figure BDA0003709360860000089
在D>0.5时，将模式四中的时间T0～时间T3带入式(2)中可得式(6)，
Figure BDA00037093608600000810
由式(5)和式(6)可以得到移相控制下飞跨电压在轻重载、正负功率流向下调节方向具有一致性，即：相位差增大，飞跨电压升高；相位差减小，飞跨电压降低。这个关系与死区无关系。
然后，请参照图10～图13，分别为本申请提出的占空比差和相位差与飞跨电压之间的关系图。其中，图10和图11用于描述在固定的相位差和固定的占空比差的情况下，基于不同的负载对于飞跨电压的变化的影响，横轴为电感电流IL，纵轴为飞跨电压的变化量△Vfly。固定占空比差对应的实线反映了对第一开关管调节同样的占空比差，在不同负载下对飞跨电容电压的调节力度。固定相位差对应的虚线反应了对第一开关管调节同样的相位差，在不同负载下对飞跨电容电压的调节力度。图10利用式(3)和式(5)，D＝0.34对D<0.5的应用场景进行举例。图11利用式(4)和式(6)，以D＝0.8对D>0.5的应用场景进行举例。从图10和图11可以看出在轻载(电感电流可以为高频三角波，在正负之间反复切换，且数值较小，可以为图中虚线大于实线，且接近0值的部分)下，飞跨电压的变化值较小。且调整占空比，会使飞跨电压反向变化。随着负载逐渐增大，飞跨电压的变化值逐渐增大，从而可在重载下调整占空比实现飞跨电压的控制。也就是说，调整占空比的方法随着负载逐渐减小，对飞跨电压的控制力度会快速减弱。相比之下，移相控制的控制力度在轻载下相对较强，重载下相对较弱，从而可在轻载下进行移相控制，即调整相位差实现飞跨电压的控制。
图12和图13用于描述在固定的负载的情况下，固定占空比差和固定相位差对于飞跨电压的变化的影响，横轴为占空比D，纵轴为飞跨电压的变化量△Vfly。图12应用为重载下，图13应用于轻载下。从图12和图13可以看出，移相控制的方法随着占空比逐渐增大，对飞跨电压的控制力度快速减弱。但是在轻载下，移相控制的方法相比调整占空比的方法，可以保持较大的调节力度。如此，可以在轻载下，可以采用移相控制的方法实现飞跨电压的控制。重载下可以采用调整占空比的方法实现飞跨电压的控制。
基于此，在一种可能的示例中，控制器具体用于响应于电感电流小于第二阈值，调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。或者控制器具体用于响应于电感电流大于第三阈值，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差。或者控制器具体用于响应于电感电流大于或等于第二阈值，且小于或等于第三阈值，根据上一时刻的调整方法调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
本申请对于第二阈值和第三阈值的大小不做限定，第二阈值小于第三阈值。可以理解，若电感的电流小于第二阈值，则表示电感电流较小，可能为轻载的情况，可以在不调整占空比差的前提下，通过移相控制的方法，对两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差进行调整。若电感的电流大于第三阈值，则表示电感电流较大，可能为重载的情况，可以在不调整相位差的前提下，通过调整占空比的方法，对两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差进行调整。若电感的电流大于或等于第二阈值，且小于或等于第三阈值，可能为轻载和重载的中间状态，可以采用上一时刻的调整方式进行调整，例如，若上一时刻采用移相控制的方法，则继续采用移相控制的方法；若上一时刻采用调整占空比的方法，则继续采用调整占空比的方法。如此，可以通过以上三种情况实现飞跨电压的控制，使得控制的飞跨电容的电压保持平滑过渡。
在一种可能的示例中，控制器可以包括滞环模块、与滞环模块连接的第一脉宽调制器和第二脉宽调制器。其中，第一脉宽调制器用于调整与飞跨电容连接的一个开关管组中第一开关管(或第二开关管)的相位或占空比，第二脉宽调制器用于调整与飞跨电容连接的另一个开关管组中第一开关管(或第二开关管)的相位或占空比。例如，第一脉宽调制器用于调整开关管Q1或开关管Q4的相位或占空比，第二脉宽调制器用于调整开关管Q2或开关管Q3的相位或占空比。滞环模块可以包括占空比控制器和相位控制器，占空比控制器用于控制第一脉宽调制器和第二脉宽调制器执行占空比控制环路，以实现两个开关管之间的占空比差的调整。相位控制器用于控制第一脉宽调制器和第二脉宽调制器执行相位控制环路，以实现两个开关管载波之间的相位差的调整。
滞环模块用于响应于飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值，根据电感电流的大小，控制第一脉宽调制器和第二脉宽调制器调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差或两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差。
滞环模块具体用于在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差的情况下，若飞跨电容的采样电压小于参考电压，则增大两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。或者若飞跨电容的采样电压大于参考电压，则减小两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
滞环模块具体用于在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差的情况下，若电流从高压电源流向低压电源，且飞跨电容的采样电压小于参考电压，则增大两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差；或者若电流从高压电源流向低压电源，且飞跨电容的采样电压大于参考电压，则减小两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差；或者若电流从低压电源流向高压电源，且飞跨电容的采样电压小于参考电压，则减小两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差；或者若电流从低压电源流向高压电源，且飞跨电容的采样电压大于参考电压，则增大两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差。
滞环模块具体用于响应于电流小于第二阈值，控制第一脉宽调制器和第二脉宽调制器调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差；或者响应于电流大于第三阈值，控制第一脉宽调制器和第二脉宽调制器调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差；或者响应于电流大于或等于第二阈值，且小于或等于第三阈值，根据上一时刻的调整方法控制第一脉宽调制器和第二脉宽调制器调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差或两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差。
以第一开关管为开关管Q1和开关管Q2进行举例说明，请参照图14，图14为本申请提供一种控制器调整飞跨电容的电压的流程示意图。如图14所示，滞环模块可以先确定飞跨电容的采样电压Vfly_ad和飞跨电容的参考电压Vfly_ref之间的差值的绝对值是否大于第一阈值。若是，且电感电流的平均值iLAVG小于第二阈值，可以在控制占空比不变(占空比控制环的输出限幅线性变化为零)的前提下，控制相位控制器对应的移相控制环工作，以使第一脉宽调制器根据电感电流的方向将当前的占空比控制环的输出结果作用于稳态占空比上。再由第二脉宽调制器将移相控制环的输出结果相加于第二脉宽调制器对应的开关管的载波上，使得第一脉宽调制器对应的开关管Q1和第二脉宽调制器对应的开关管Q2载波之间的相位差在180°附近动态调节。当iLAVG大于第三阈值，可以在控制相位差不变的前提下，控制占空比控制器对应的占空比控制环工作，以使第一脉宽调制器和第二脉宽调制器，根据电感电流的方向将当前的移相控制环的输出结果作用于第二脉宽调制器对应的载波上，使得开关管Q1和开关管Q2之间的占空比差在0附近动态调节。当iLAVG处于第二阈值和第三阈值之间，保持前一时刻的调整方式控制相位控制器对应的移相控制环工作，以使第一脉宽调制器和第二脉宽调制器调整开关管Q1和开关管Q2载波之间的相位比差，或控制占空比控制器对应的占空比控制环工作，以使第一脉宽调制器和第二脉宽调制器调整开关管Q1和开关管Q2之间的占空比差。
请参照图15，图15为本申请提供的一种飞跨电容的电压控制方法的流程图。该飞跨电容可应用于如图3所示的多电平直流变换器中，该多电平直流变换器包括至少一个飞跨电容、与飞跨电容连接的两个开关管组、与各个开关管组和多电平直流变换器的低压电压的正极端连接的电感，以及用于控制开关管组的控制器。其中，各个开关管组均包括导通和关断状态互补的第一开关管和第二开关管。如图15所示，该电压控制方法可以包括步骤S101，其中：
S101：在飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值，控制器根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
可以理解，若飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值，则表示飞跨电容的电压还未调整为目标值，可以继续调整并联在飞跨电容一侧的开关管之间的相位差，或该侧的开关管之间的占空比差，从而对飞跨电容的电压进行控制，提高了多电平直流变换器运行的稳定性。
在一种可能的示例中，根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差的方法，可以包括以下步骤：在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且飞跨电容的采样电压小于参考电压的情况下，增大两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差；或者在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且飞跨电容的采样电压大于参考电压的情况下，减小两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。如此，通过增大两个开关管组中第一开关管载波之间的相位差升高飞跨电容的电压。通过减小两个开关管组中第一开关管载波之间的相位差减小飞跨电容的电压。
在一种可能的示例中，根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差的方法，可以包括以下步骤：在根据电感电流的大小确定调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差的情况下，若电流从高压电源流向低压电源，且飞跨电容的采样电压小于参考电压，则增大两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差；或者若电流从高压电源流向低压电源，且飞跨电容的采样电压大于参考电压，则减小两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差；或者若电流从低压电源流向高压电源，且飞跨电容的采样电压小于参考电压，则减小两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差；或者若电流从低压电源流向高压电源，且飞跨电容的采样电压大于参考电压，则增大两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差。如此，在决策调整占空比差的情况下，根据电感电流的方向实现了飞跨电容的电压的调整。
在一种可能的示例中，根据电感电流的大小，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差的方法，可以包括以下步骤：在电感电流小于第二阈值的情况下，调整两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差；或者在电感电流大于第三阈值的情况下，调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差；或者在电感电流大于或等于第二阈值，且小于或等于第三阈值的情况下，根据上一时刻的调整方法调整两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。如此，可以通过以上三种情况实现飞跨电压的控制，使得控制的飞跨电容的电压保持平滑过渡。
本申请实施例还公开一种控制装置。该控制装置包括控制器和存储器；其中，存储器用于存储指令，控制器用于调用该存储器中存储的指令，执行上述任一方面中的方法。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多电平直流变换器，其特征在于，所述多电平直流变换器包括至少一个飞跨电容、与所述飞跨电容连接的两个开关管组、与各个所述开关管组和所述多电平直流变换器的低压电源的正极端连接的电感，以及用于控制所述开关管组的控制器；其中，所述开关管组均包括导通和关断状态互补的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管连接所述多电平直流变换器的高压电源的一端，所述第二开关管连接所述多电平直流变换器的高压电源的另一端；
所述控制器，用于在所述飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值的情况下，根据所述电感电流的大小，调整所述两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
2.根据权利要求1所述的多电平直流变换器，其特征在于，所述控制器具体用于在根据所述电感电流的大小确定调整所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且所述飞跨电容的采样电压小于所述参考电压的情况下，增大所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
3.根据权利要求1所述的多电平直流变换器，其特征在于，所述控制器具体用于在根据所述电感电流的大小确定调整所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且所述飞跨电容的采样电压大于所述参考电压的情况下，减小所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的多电平直流变换器，其特征在于，所述控制器，具体用于在所述电感电流小于第二阈值的情况下，调整所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
5.根据权利要求1所述的多电平直流变换器，其特征在于，所述控制器，具体用于在所述电感电流大于第三阈值的情况下，调整所述两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的多电平直流变换器，其特征在于，所述控制器，具体用于在所述电感电流大于或等于第二阈值，且小于或等于第三阈值的情况下，根据上一时刻的调整方法调整所述两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差，或所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
7.一种飞跨电容的电压控制方法，其特征在于，所述飞跨电容应用于多电平直流变换器中，所述多电平直流变换器还包括两个开关管组、电感和控制器，各个所述开关管组均包括导通和关断状态互补的第一开关管和第二开关管；所述电压控制方法包括：
在所述飞跨电容的采样电压和参考电压之间的差值的绝对值大于第一阈值的情况下，所述控制器根据所述电感电流的大小，调整所述两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
8.根据权利要求7所述的电压控制方法，其特征在于，所述控制器根据所述电感电流的大小，调整所述两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，包括：
在根据所述电感电流的大小确定调整所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且所述飞跨电容的采样电压小于所述参考电压的情况下，所述控制器增大所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差；或者
在根据所述电感电流的大小确定调整所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，且所述飞跨电容的采样电压大于所述参考电压的情况下，所述控制器减小所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
9.根据权利要求7或8所述的电压控制方法，其特征在于，所述控制器根据所述电感电流的大小，调整所述两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差，包括：
在所述电感电流小于第二阈值的情况下，所述控制器调整所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差；或者
在所述电感电流大于第三阈值的情况下，所述控制器调整所述两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差；或者
在所述电感电流大于或等于第二阈值，且小于或等于第三阈值的情况下，所述控制器根据上一时刻的调整方法调整所述两个开关管组中的第一开关管之间的占空比差或所述两个开关管组中的第一开关管载波之间的相位差。
10.一种控制装置，其特征在于，所述控制装置包括控制器和存储器；其中，所述存储器用于存储指令，所述控制器用于调用所述存储器中存储的指令，执行如权利要求7-9中任一项所述的电压控制方法。
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