CN115313804B - 一种五电平dc-dc变换器的单传感器均压控制方法 - Google Patents

一种五电平dc-dc变换器的单传感器均压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种五电平DC‑DC变换器的单传感器均压控制方法，包括在三角载波某一特定时刻进行采样，得到一个与电容电压有对应关系的采样值；分别将采样值对应到不同离散时刻点；对采样值进行解耦计算，将各个电容电压用采样值表示；然后解耦出电容电压，电容电压由采样点采样结果和主开关占空比表达；对解耦得到的电容电压进行平衡控制产生占空比修正量，对各开关的占空比进行修正，通过PWM调整主开关的占空比，开关调节各个电容的充放电时间，使电容电压达到均衡。本发明可以有效减少多电平DC‑DC变换器均压控制所需传感器数量，同时对电容电压进行平衡控制，可以通过单个传感器有效的控制电容电压平衡。

Description

一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别是涉及一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法。
背景技术
多电平变流器已成为高压电池储能、轨道交通、直流微电网等大功率、高压应用的热门技术。微电网系统对于解决分布式电源并网难、促进清洁能源消纳具有重要意义。其中，直流微电网因其简单易控制而更受青睐。DC-DC变流器是连接光伏发电和储能装置的直流微电网的核心部件。与传统的两电平DC-DC变换器相比，多电平DC-DC变换器具有降低开关器件电压应力、减小电感尺寸、降低开关损耗等优点，更适用于高电压和大功率系统。
传统的两电平双向DC-DC变换器结构简单，可靠性强，效率高，但开关管电压应力大，最大应力等于高压侧电压，滤波电感大，不利于系统的体积和动态响应。多电平DC-DC变换器有效地解决了上述两个问题。例如，三电平DC-DC转换器中开关的最大电压应力为直流母线电压的1/2。该转换器在一个周期内产生两次脉冲，与传统的两电平相比，缩短了同一开关周期内电感电流的连续上升和下降时间。因此，在相同电感电流纹波下，三电平拓扑中使用的电感值更小，有利于减小电感尺寸和系统成本。以上优势在五电平和多电平DC-DC转换器中更为明显，而且电平越多，优势越多。对于五电平转换器，开关管的最大电压应力为高端电压的1/4，电感电流在一个开关周期内脉冲四次。
由于五电平DC-DC转换器相对于传统的两电平DC-DC转换器具有许多优势，因此五电平DC-DC转换器受到了广泛的关注和研究。
但在五电平Buck/Boost DC-DC变换器中，串联分压电容存在电压不平衡问题，在一定程度上制约了变换器的发展。而且，电压等级越多，分压电容就越多，控制也就越复杂。平衡串联分压电容电压最简单的方法是采集每个电容的电压，然后计算电压差来做一个修正占空比值，从而调整电容的充放电时间来平衡电压。但这种方法要在每个电容上并联传感器，随着转换器中电容增加，传感器需求会越来越多，造成电路体积成本增加。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，可以有效减少多电平DC-DC变换器均压控制所需传感器数量，同时对电容电压进行平衡控制，可以通过单个传感器有效的控制电容电压平衡，利于实现变换器低成本和小体积的要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，用于有中性点的五电平DC-DC转换器，所述五电平DC-DC转换器包括4个主开关、一个串联了上电容和下电容的电容桥臂和2个飞跨电容，每个主开关对应一个开关状态与其相反的互补开关，高压侧的串联电容电压为输入电压的一半，飞跨电容电压为输入电压的四分之一，主开关使用三角载波进行控制；
基于上述五电平DC-DC变换器的单传感器的均压控制方法，包括步骤：
步骤1，在三角载波某一特定时刻包括峰值或谷值时刻，进行采样，得到一个与电容电压有对应关系的采样值，以表征电容电压均衡关系；
步骤2，获得采样值，分别将采样值对应到不同离散时刻点；
步骤3，对采样值进行解耦计算，将各个电容电压用采样值表示；包括：对采样值进行分解，得到一个只与主开关占空比和电容电压有关的关系式，采样点采样结果由此关系式表出；然后4个采样点解耦出4个电容电压，电容电压由采样点采样结果和主开关占空比表达；
步骤4，对解耦得到的电容电压进行平衡控制产生占空比修正量，对各开关的占空比进行修正，通过PWM调整主开关的占空比，开关调节各个电容的充放电时间，使电容电压达到均衡。
进一步的是，所述单传感器采用单电压传感器或单电流传感器，采用所述单电压传感器时采用单电压传感器的均压控制方法，采用所述单电流传感器时采用单电流传感器的均压控制方法。
进一步的是，采用所述单电压传感器时采用单电压传感器的均压控制方法，包括步骤：
步骤11，在三角载波某一特定时刻包括峰值或谷值时刻，对未滤波电压进行采样，得到一个与电容电压有对应关系的采样电压，以表征电容电压均衡关系；
步骤12，获得未滤波电容电压采样值，分别将采样值对应到不同离散时刻点；
步骤13，对采样值进行解耦计算，将各个电容电压用采样值表示；包括：对未滤波电压进行分解，得到一个只与主开关占空比和电容电压有关的关系式，采样点采样结果由此关系式表出；然后4个采样点解耦出4个电容电压，电容电压由采样点采样结果和主开关占空比表达；
步骤14，对解耦得到的电容电压进行平衡控制产生占空比修正量，对各开关的占空比进行修正，通过PWM调整主开关的占空比，开关调节各个电容的充放电时间，使电容电压达到均衡。
进一步的是，对所述五电平DC-DC转换器的主开关对应的三角载波依次移相90°，选取某一特定时刻，包括多重三角波的峰值或者谷值。
进一步的是，所述五电平DC-DC转换器的未滤波电压用主开关的开关状态和电容电压表示；
当五电平DC-DC转换器的采用单电压传感器时，未滤波电压为：
vox＝S1·(vC1-vC3)+S2·vC3+S3·(vC2-vC4)+S4·vC4；
其中，S1、S2、S3、S4为四个主开关的开关状态，vC1表示电容桥臂高压侧电容C1的电压，vC2表示电容桥臂高压侧电容C2的电压，vC3表示飞跨电容C3的电压，vC4表示飞跨电容C4的电压。
进一步的是，所述4个三角载波峰值或谷值采样时刻采样得到的采样点用4个只与主开关状态和电容电压有关的等式表示；通过这4个等式解耦出4个只与主开关和采样结果有关的电容电压的表达式；
当五电平DC-DC转换器的采用单电压传感器时，采样结果表达式为：
Figure BDA0003812803920000031
S1,2,3,4＝1,0
v1、v2、v3、v4分别为四个依次移相90°的三角载波峰值或谷值时刻对未滤波电压vox采样得到的采样结果。
进一步的是，4个采样点解耦出来的4个电容电压分别参与均压控制，产生4个占空比修正量。
进一步的是，每个所述占空比修正量作用于多个开关的占空比，以应对电容电压的升降与多个开关相关。
进一步的是，采用所述单电流传感器时采用单电流传感器的均压控制方法，包括步骤：
步骤21，在三角载波某一特定时刻包括峰值或谷值时刻，对电感电流进行采样，得到一个与电容电压有对应关系的采样电流，这个采样电流与电容充放电相关，反映电容电压；
步骤22，获得未滤波电容电压采样值，分别将采样值对应到不同离散时刻点；
步骤23，对采样值进行解耦计算，将各个电容电压用采样值表示；包括：对电感电流进行分解，得到一个只与主开关占空比和电容电压有关的关系式，采样点采样结果由此关系式表出；然后4个采样点解耦出4个电容电压，电容电压由采样点采样结果和主开关占空比表达；
步骤24，对解耦得到的电容电压进行平衡控制产生占空比修正量，对各开关的占空比进行修正，通过PWM调整主开关的占空比，开关调节各个电容的充放电时间，使电容电压达到均衡。
进一步的是，对所述五电平DC-DC转换器的主开关对应的三角载波依次移相90°，选取某一特定时刻，包括多重三角波的峰值或者谷值。
采用本技术方案的有益效果：
本发明所提控制方法既可以采用单电压传感器也可以采用单电流传感器。单电压传感器方案采样未滤波的方波电压，只需要一个电压传感器就可以实现传统需要多个传感器方案的均压效果。单电流传感器方案采样电感纹波电流，只需要一个电流传感器就可以实现传统需要多个传感器方案的均压效果。
本发明用于有中性点的五电平DC-DC转换器，其中该五电平DC-DC转换器包含四个主开关，每个主开关对应一个开关状态与其相反的互补开关，包含一个串联了上电容和下电容的电容桥臂，和两个飞跨电容，高压侧的串联电容电压为输入电压的一半，飞跨电容电压为输入电压的四分之一，主开关使用三角载波进行控制，只需要在三角载波的特定时刻使用一个传感器对未滤波电压或者电感电流采样，就可以实现四个电容电压均衡控制，明显的减少了传感器的数量，在实现电容电压均衡目的的同时又不至于在每个电容上并联传感器，在实现低成本和小体积的方面有着明显优势。
附图说明
图1为本发明的一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例中五电平buck变换器拓扑结构图；
图3为本发明实施例中五电平boost变换器拓扑结构图
图4为本发明实施例中五电平双向DC-DC变换器拓扑结构图；
图5为传统两电平变换器与多电平变换器电感电流纹波的归一化比较图；
图6为本发明实施例中五电平双向DC-DC变换器不同开关状态下未滤波电压与电容电压关系图；
图7为本发明实施例中五电平DC-DC变换器开关占空比与未滤波电压和电感电流波形图；
图8为本发明实施例中五电平DC-DC变换器在占空比小于0.5时使用单电压传感器的采样波形图；
图9为本发明实施例中五电平DC-DC变换器单电压传感器的均压控制实施图；
图10为本发明实施例中五电平DC-DC变换器在占空比小于0.5时使用单电流传感器的采样波形图；
图11为本发明实施例中五电平DC-DC变换器单电流传感器的均压控制实施图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
如图2、图3和图4分别所示的五电平buck变换器、五电平boost变换器、五电平双向DC-DC变换器，有效地解决了传统两电平变换器开关应力大、体积大、效率低等问题。对于五电平DC-DC变换器，开关管的最大电压应力为高端电压的1/4，电感电流在一个开关周期内脉冲四次。正如图5所示，多电平电路的优势可以明显的看出。对于n电平DC-DC转换器，其中该n电平DC-DC转换器包含n-1个主开关，每个主开关对应一个开关状态与其相反的互补开关，包含一个串联了上电容和下电容的电容桥臂，和n-3个飞跨电容，高压侧的串联电容电压为输入电压的一半，飞跨电容电压为输入电压的四分之一，主开关使用三角载波进行控制。
由于多电平DC-DC转换器相对于传统的两电平DC-DC转换器具有许多优势，因此多电平DC-DC转换器受到了广泛的关注和研究。
在本实施例中，本发明提出了一种用于五电平DC-DC变换器的单电压传感器均压控制方法，如图1所示，在某一特定采样时刻，例如在多重三角波的峰值或者谷值时刻，对未滤波电压进行采样，得到一个与电容电压有对应关系的采样电压；对采样值进行解耦计算，将各个电容电压用采样值表示；对解耦得到的电容电压进行平衡控制产生占空比修正量，对各开关的占空比进行修正；修正后的开关调节各个电容的充放电时间，使电容电压达到均衡。
如图4所示，五电平DC-DC变换器共有8个开关，其中4个是主开关S1a、S2a、S3a、S4a，其他四个开关与主开关互补。五电平降压/升压转换器的四个主开关由脉冲宽度调制(PWM)控制，使用相位依次相差90°的四个三角载波。开关可分为四组，S1a S1b、S2a S2b、S3a S3b、S4a S4b，因此，五电平转换器因开关通断情况不同而有16种工作状态，使变换器能够输出五种电平，包括Vi/4、Vi/2、3Vi/4、Vi和0。电容器C1和C2承受高压，控制这两个电容器的电压平衡至关重要。
如图6和7所示，未经滤波的输出电压有五个电平，电感电流在一个周期内波动四次。未滤波电压与等于几个电容电压的和或差，因此，想要得到正确的五电平输出，只有电容C1、C2的电压为Vi/2，电容C3、C4的电压为Vi/4，才可以正确输出五电平电压。但在实际应用中，造成电容电压不平衡的因素很多，因此需要进行适当的电压平衡控制。
如图8所示，未经滤波的输出电压可以用电容电压来表示，通过采样可以得到一个与电容电压相关的电压。因此，可以通过对未经滤波的输出电压进行采样来进行电容电压的电压平衡控制。只需一个采集未滤波输出电压vox的电压传感器就可以采集到高压侧电容和飞跨电容电压的所有电压信息，关于vox采样时间的选择，虽然电容电压变化不大，但最好采集平均值，即电容电压上升或下降时的中间值，从图7可以看出，采样时间应该是驱动方波高电平的中间时间。结合原理图，可以看出是三角载波1、3的波峰和波谷，三角波2、4的波峰和波谷。在占空比大于0.5的情况和图8类似。
未滤波电压可以表示为：
vox＝S1·(vC1-vC3)+S2·vC3+S3·(vC2-vC4)+S4·vC4，其中vox为未滤波电压，S1，S2,S3,S4为四个主开关的开关状态，vC1表示高压侧电容C1的电压，vC2表示高压侧电容C2的电压，vC3表示飞跨电容C3的电压，vC4表示飞跨电容C4的电压。
采样得到的电压为：
Figure BDA0003812803920000071
S1,2,3,4＝1,0。
v1,v2,v3,v4分别为四个依次移相90°的三角载波峰值或谷值时刻对未滤波电压vox采样得到的采样结果。
如图9所示，通过对采样结果的解耦可以得到每个电容电压的信息，这样只需要单个电压传感器即可达成均衡电容电压的目的。
如图10所示，采用单电流传感器均压的方式步骤和单电压传感器均压方式一致，包括如下步骤：
步骤1，在某一特定采样时刻，例如在多重三角波的峰值或者谷值时刻，对电感电流进行采样，得到一个与电容电压有对应关系的采样电流，这个采样电流与电容充放电相关，可以反映电容电压；
步骤2，对采样值进行解耦计算，将各个电容电压用采样值表示；包括：对电感电流进行分解，得到一个只与主开关占空比和电容电压有关的关系式，采样点采样结果可以由此关系式表出；4个采样点解耦出4个电容电压，电容电压可由采样点采样结果和主开关占空比表达；
步骤3，对解耦得到的电容电压进行平衡控制产生占空比修正量，对各开关的占空比进行修正，通过PWM调整主开关的占空比，开关调节各个电容的充放电时间，使电容电压达到均衡。
如图11所示，通过对采样结果的解耦可以得到每个电容电压的信息，这样只需要单个电流传感器即可达成均衡电容电压的目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，其特征在于，用于有中性点的五电平DC-DC转换器，所述五电平DC-DC转换器包括4个主开关、一个串联了上电容和下电容的电容桥臂和2个飞跨电容，每个主开关对应一个开关状态与其相反的互补开关，高压侧的串联电容电压为输入电压的一半，飞跨电容电压为输入电压的四分之一，主开关使用三角载波进行控制；
基于上述五电平DC-DC变换器的单传感器的均压控制方法，包括步骤：
步骤1，在三角载波某一特定时刻包括峰值或谷值时刻，进行采样，得到一个与电容电压有对应关系的采样值，以表征电容电压均衡关系；
步骤2，获得采样值，分别将采样值对应到不同离散时刻点；
步骤3，对采样值进行解耦计算，将各个电容电压用采样值表示；包括：对采样值进行分解，得到一个只与主开关占空比和电容电压有关的关系式，采样点采样结果由此关系式表出；然后4个采样点解耦出4个电容电压，电容电压由采样点采样结果和主开关占空比表达；
步骤4，对解耦得到的电容电压进行平衡控制产生占空比修正量，对各开关的占空比进行修正，通过PWM调整主开关的占空比，开关调节各个电容的充放电时间，使电容电压达到均衡；
所述单传感器采用单电压传感器或单电流传感器，采用所述单电压传感器时采用单电压传感器的均压控制方法，采用所述单电流传感器时采用单电流传感器的均压控制方法；采用单电压传感器时，采样未滤波的方波电压；采用单电流传感器时，采样电感纹波电流。
2.根据权利要求1所述的一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，其特征在于，采用所述单电压传感器时采用单电压传感器的均压控制方法，包括步骤：
步骤11，在三角载波某一特定时刻包括峰值或谷值时刻，对未滤波电压进行采样，得到一个与电容电压有对应关系的采样电压，以表征电容电压均衡关系；
步骤12，获得未滤波电容电压采样值，分别将采样值对应到不同离散时刻点；
步骤13，对采样值进行解耦计算，将各个电容电压用采样值表示；包括：对未滤波电压进行分解，得到一个只与主开关占空比和电容电压有关的关系式，采样点采样结果由此关系式表出；然后4个采样点解耦出4个电容电压，电容电压由采样点采样结果和主开关占空比表达；
步骤14，对解耦得到的电容电压进行平衡控制产生占空比修正量，对各开关的占空比进行修正，通过PWM调整主开关的占空比，开关调节各个电容的充放电时间，使电容电压达到均衡。
3.根据权利要求2所述的一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，其特征在于，对所述五电平DC-DC转换器的主开关对应的三角载波依次移相90°，选取某一特定时刻，包括多重三角波的峰值或者谷值。
4.根据权利要求3所述的一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，其特征在于，所述五电平DC-DC转换器的未滤波电压用主开关的开关状态和电容电压表示；
当五电平DC-DC转换器的采用单电压传感器时，未滤波电压为：
vox＝S1·(vC1-vC3)+S2·vC3+S3·(vC2-vC4)+S4·vC4；
其中，S1、S2、S3、S4为四个主开关的开关状态，vC1表示电容桥臂高压侧电容C1的电压，vC2表示电容桥臂高压侧电容C2的电压，vC3表示飞跨电容C3的电压，vC4表示飞跨电容C4的电压。
5.根据权利要求4所述的一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，其特征在于，所述4个三角载波峰值或谷值采样时刻采样得到的采样点用4个只与主开关状态和电容电压有关的等式表示；通过这4个等式解耦出4个只与主开关和采样结果有关的电容电压的表达式；
当五电平DC-DC转换器的采用单电压传感器时，采样结果表达式为：
Figure FDA0004082927660000021
v1、v2、v3、v4分别为四个依次移相90°的三角载波峰值或谷值时刻对未滤波电压vox采样得到的采样结果。
6.根据权利要求5所述的一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，其特征在于，4个采样点解耦出来的4个电容电压分别参与均压控制，产生4个占空比修正量。
7.根据权利要求6所述的一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，其特征在于，每个所述占空比修正量作用于多个开关的占空比，以应对电容电压的升降与多个开关相关。
8.根据权利要求1所述的一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，其特征在于，采用所述单电流传感器时采用单电流传感器的均压控制方法，包括步骤：
步骤21，在三角载波某一特定时刻包括峰值或谷值时刻，对电感电流进行采样，得到一个与电容电压有对应关系的采样电流，这个采样电流与电容充放电相关，反映电容电压；
步骤22，获得未滤波电容电压采样值，分别将采样值对应到不同离散时刻点；
步骤23，对采样值进行解耦计算，将各个电容电压用采样值表示；包括：对电感电流进行分解，得到一个只与主开关占空比和电容电压有关的关系式，采样点采样结果由此关系式表出；然后4个采样点解耦出4个电容电压，电容电压由采样点采样结果和主开关占空比表达；
步骤24，对解耦得到的电容电压进行平衡控制产生占空比修正量，对各开关的占空比进行修正，通过PWM调整主开关的占空比，开关调节各个电容的充放电时间，使电容电压达到均衡。
9.根据权利要求8所述的一种五电平DC-DC变换器的单传感器均压控制方法，其特征在于，对所述五电平DC-DC转换器的主开关对应的三角载波依次移相90°，选取某一特定时刻，包括多重三角波的峰值或者谷值。
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