CN115664167A - 一种非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路及方法，电路包括：正向外环控制环路，反向外环控制环路，内环控制环路，均压补偿控制环路，均压补偿极性生成电路，PI生成电路，PI生成电路的输出信号PI_T4与信号PI_T1作为驱动信号至三电平直流变换器，通过控制电容充放电，从而控制直流变换器中点电位平衡，此方法提高了系统性能指标，降低了复杂度，提高了稳定性。

Description

一种非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路及方法

技术领域

本发明涉及三电平直流变换器控制技术领域，具体涉及一种非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路及方法。

背景技术

三电平直流变换器相对两电平直流变换器，器件承受的电压应力小，输出电流纹波小，在1000V以上中高压大功率和低压大电流场合应用优势明显，广泛应用于直流充放电和储能变流等场合。

常见的三电平直流变换器分为共地式和非共地式两种。由于驱动波形和器件的一致性不可能做到完全一致，导致三电平中点电位不平衡成为一个固有的问题，必须对中点电位进行控制。

目前现有的三电平DCDC中点电位控制方法，部分只能控制buck或者boost单一状态下的中点电位。中点电位电压补偿极性判断也存在不足，通过采样电流方向确定均压补偿极性在小功率条件下由于采样误差等因素的存在，容易出现极性来回跳变，另外的方法靠电压电流阈值选取判断均压补偿极性存在阈值不好选取，部分区间判断不准的问题。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种均压补偿极性判断准确，稳定性提高的非共地式三电平直流变换器中点电位。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路，包括：正向外环控制环路，反向外环控制环路，内环控制环路，均压补偿控制环路，均压补偿极性生成电路，PI生成电路；

正向外环控制电路包括正向电压外环控制器、正向电流外环控制器和隔离选通电路；

内环控制电路包括运算放大器U3A，运算放大器U3A同相输入端与隔离选通电路的输出端连接，反相输入端连接电感电流采样信号iLf，输出信号PI与PI电路中乘法器一个输入端相连；

均压补偿控制环路包括运算放大器U3B，运算放大器U3B同相输入端连接母线中点电位给定电压Vnref信号，反相输入端连接母线下电容电压采样V下，输出端信号△C与PI电路中乘法器一个输入端相连，其中，Vnref=（V上+V下）/2，V上为母线上电容电压采样；

反向外环控制环路包括运算放大器U1C，运算放大器U1C同相输入端与反向输出电流给定值iref_neg信号连接，反相输入端与iLf信号连接，输出端连接高选通逻辑电路；

均压补偿极性生成电路两路输入分别与高选通逻辑电路输入端和输出端连接，另外两路输入与隔离选通电路中正向选通二极管D41两端连接，均压补偿极性生成电路输出信号Flag与PI生成电路的乘法器一个输入端连接；

PI生成电路包括乘法器和两级依次连接的运算放大器U3D、U4A，U3D同相输入端与PI信号连接，U4A反相输入端与乘法器输出信号PI_T1连接，所述U4A正相输入端与U3D的输出信号U3D_OUT连接，所述U4A输出端信号PI_T4与信号PI_T1作为调制信号与三角波比较输出驱动信号至三电平直流变换器。

优选的，上述电路还包括受驱动信号控制的非共地三电平DCDC变换器拓扑电路，非共地三电平DCDC变换器拓扑电路包括：母线上电容C上，母线下电容C下，开关管T1、T2、T3、T4和对应的体二极管D1、D2、D3、D4，电感L，电容C和电源BAT；C上一端连接D1负极，另一端同时连接C下、D2正极和D3负极，C下另一端连接D4正极，D4负极与D3正极相连，D2负极与D1正极相连，电感L和电容C并联在D2、D3两端，电源BAT并联在电容C两端，外加Uo电压。

优选的，高选通逻辑电路为二极管D31，二极管D31正极连接运算放大器U1C输出端和均压补偿极性生成电路输入，负极连接均压补偿极性生成电路输入和-12V电源。

优选的，均压补偿极性生成电路包括运算放大器U2B、U2A和U3C，运算放大器U2B同相输入端连接二极管D31正极，反相输入端连接二极管D31负极，运算放大器U2A同相输入端连接二极管D41正极，反相输入端连接二极管D41负极，运算放大器U2B、U2A的输出信号Neg_flag和Pos_flag分别连接运算放大器U3C的反相输入端和同相输入端，U3C输出端输出Flag信号。

优选的，乘法器为AD633J，均压补偿控制环路输出信号△C连接乘法器脚1，均压补偿极性生成电路输出信号Flag连接乘法器脚7，内环控制环路输出信号PI连接脚4，脚5输出信号PI_T1。

优选的，PI生成电路还包括电阻R61、R62、R63、R64、R65、R66、R67，R61连接在运算放大器U3D反相输入端和地之间，R62连接在U3D反相输入端和输出端之间，R63连接在内环控制环路输出信号PI和U3D同相输入端之间，R64连接在乘法器输出信号PI_T1与运算放大器U4A的反相输入端之间，R65连接在U4A反相输入端和输出端之间，R66连接在U3D输出端与U4A同相输入端之间，R67连接在U4A同相输入端和地之间；其中，R61=R62，R63=R61//R62，R64=R65=R66=R67，则PI_T1=△C*Flag/10V+PI，U3D_OUT=2PI，PI_T4=PI-△C*Flag/10V。

优选的，正向外环控制环路的运算放大器、运算放大器U1C、U3A、U3B外均有补偿电路。

本发明还公开了一种基于上述电路的非共地式三电平直流变换器中点电位控制方法，包括步骤：信号PI_T4与信号PI_T1与相位相差180°的三角波Uc1和Uc2比较产生输出至三电平直流变换器的四种波形，分别控制开关管T1、T2、T3、T4通断，实现母线上、下电容充放电，控制直流变换器中点电位平衡。

上述方法的具体控制策略为：

若PI_T1>Uc1，则T1=1，T2=0；若PI_T1<Uc1，则T1=0，T2=1；若PI_T4>Uc2，则T3=0，T4=1；若PI_T4<Uc2，则T3=1，T4=0；正向工作时，T1和T4同时导通不会影响上下电容的均压情况，T1和T4中仅T1开通上电容放电，T1和T4中仅T4开通下电容放电；反向工作时，T2和T3同时导通不会影响上下电容的均压情况，T2和T3中仅T3开通上电容充电，T2和T3中仅T2开通下电容充电。

本发明的优点在于：

能够在正向输出和反向回馈状态下调节母线中点电位，可以精确判断中点电位均压补偿的极性，此方法提高了系统性能指标，降低了复杂度，提高了稳定性。

附图说明

图1为本发明的中点电位平衡控制方法框图；

图2为本发明的非共地三电平DCDC变换器拓扑；

图3为正向工作时母线上电容放电等效图；

图4为正向工作时母线下电容放电等效图；

图5为反向工作时母线下电容充电等效图；

图6为反向工作时母线上电容充电等效图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，术语 “上”、“下”仅是为了便于描述，而不是指示或者暗示所指元件必须具有特定的方位。

实施例1

本实施例公开了一种如图1所示的非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路，包括：正向外环控制环路，反向外环控制环路，内环控制环路，均压补偿控制环路，均压补偿极性生成电路，PI生成电路。

正向外环控制电路包括正向电压外环控制器、正向电流外环控制器和隔离选通电路，正向电压外环控制器包括运算放大器U1A及其补偿电路、二极管D11、电阻R11、R12，D11负极与U1A输出端相连，U1A反相输入端串接R11与输出电压采样值Uf连接，同相输入端串接R12与输出电压给定值Uref连接；正向电流外环控制器包括运算放大器U1B及其补偿电路、二极管D21、电阻R21、R22，D21负极与U1B输出端相连，U1B反相输入端串接R21与输出电感电流采样值iLf连接，同相输入端串接R22与正向输出电流给定值iref_pos连接；D11与D21正极相接并串联上拉电阻R5接入+12V电源，同时D11正极连接隔离选通电路中运算放大器U1D同相输入端，U1D反相输入端与输出端短接，U1D输出端与正向选通二极管D41正极相连。

内环控制电路包括运算放大器U3A及其补偿电路、电阻R41和R42， U3A同相输入端串接R42与D41负极连接，反相输入端串联R41后接入电感电流采样信号iLf，输出信号PI分别与PI电路中乘法器AD633J的脚4、PI生成电路的运算放大器U3D同相输入端相连。

均压补偿控制环路包括运算放大器U3B及其补偿电路、电阻R51、R52，U3B同相输入端串联R52后与母线中点电位给定电压Vnref信号连接，反相输入端串联R51后连接母线下电容电压采样V下，输出端信号△C与乘法器AD633J脚1相连，其中，Vnref=（V上+V下）/2，V上为母线上电容电压采样。

反向外环控制环路包括运算放大器U1C及其补偿电路、二极管D31、电阻R31、R32，运算放大器U1C同相输入端与反向输出电流给定值iref_neg信号通过R32连接，反相输入端与iLf信号通过R31连接，输出端连接二极管D31正极，二极管D31正极还连接均压补偿极性生成电路中运算放大器U2B同相输入端，D31负极连接U2B反相输入端，还串联下拉电阻R6接入-12V电源。

均压补偿极性生成电路包括运算放大器U2B、U2A和U3C，运算放大器U2B同相输入端连接二极管D31正极，反相输入端连接二极管D31负极，运算放大器U2A同相输入端连接二极管D41正极，反相输入端连接二极管D41负极，运算放大器U2B、U2A的输出信号Neg_flag和Pos_flag分别经过电阻R1、R3后连接运算放大器U3C的反相输入端和同相输入端，U3C输出端输出Flag信号连接乘法器脚7，U2B和U2A由5V电源供电，U3C同相输入端还接入下拉电阻R4，反相输入端与输出端之间连接电阻R2。

PI生成电路包括乘法器AD633J和两级依次连接的运算放大器U3D、U4A、电阻R61、R62、R63、R64、R65、R66、R67，R61=R62，R63=R61//R62，R64=R65=R66=R67，R61连接在运算放大器U3D反相输入端和地之间，R62连接在U3D反相输入端和输出端之间，R63连接在内环控制环路输出信号PI和U3D同相输入端之间，R64连接在乘法器输出信号PI_T1与运算放大器U4A的反相输入端之间，R65连接在U4A反相输入端和输出端之间，R66连接在U3D输出端与U4A同相输入端之间，R67连接在U4A同相输入端和地之间，U3D同相输入端与PI信号连接，U4A反相输入端与乘法器输出信号PI_T1连接，U4A正相输入端与U3D的输出信号U3D_OUT连接,U4A输出端信号PI_T4与信号PI_T1作为调制信号与三角波比较输出驱动信号至三电平直流变换器，计算可得PI_T1=△C*Flag/10V+PI，U3D_OUT=2PI，PI_T4=PI-△C*Flag/10V。。

信号PI_T4与信号PI_T1通过控制非共地三电平DCDC变换器拓扑电路实现，非共地三电平DCDC变换器拓扑电路包括：母线上电容C上，母线下电容C下，开关管T1、T2、T3、T4和对应的体二极管D1、D2、D3、D4，电感L，电容C和电源BAT；C上一端连接D1负极，另一端同时连接C下、D2正极和D3负极，C下另一端连接D4正极，D4负极与D3正极相连，D2负极与D1正极相连，电感L和电容C并联在D2、D3两端，电源BAT并联在电容C两端，外加Uo电压。

实施例2

本发明还公开了一种基于实施例1电路的非共地式三电平直流变换器中点电位控制方法，包括步骤：信号PI_T4与信号PI_T1与相位相差180°的三角波Uc1和Uc2比较产生输出至三电平直流变换器的四种波形，分别控制开关管T1、T2、T3、T4通断，实现母线上、下电容充放电，控制直流变换器中点电位平衡。

其具体控制策略为：若PI_T1>Uc1，则T1=1，T2=0；若PI_T1<Uc1，则T1=0，T2=1；若PI_T4>Uc2，则T3=0，T4=1；若PI_T4<Uc2，则T3=1，T4=0。

在非共地式三电平直流变换器的所有工作模态中，不论占空比D大于0.5还是小于0.5只有四个模态会影响上下电容的电压值。正向工作时，T1和T4同时导通不会影响上下电容的均压情况，T1和T4中仅T1开通上电容放电，其等效电路图可参照图3，T1和T4中仅T4开通下电容放电，其等效电路可参照图4；反向工作时，T2和T3同时导通不会影响上下电容的均压情况，T2和T3中仅T3开通上电容充电，其等效电路图可参照图5，T2和T3中仅T2开通下电容充电，其等效电路图可参照图6。

正向工作时，T1和T4同时导通不会影响上下电容的均压情况，T1和T4中仅T1开通上电容放电，T1和T4中仅T4开通下电容放电；反向工作时，T2和T3同时导通不会影响上下电容的均压情况，T2和T3中仅T3开通上电容充电，T2和T3中仅T2开通下电容充电。以上部分对发明中各个控制量实现了如下的控制关系：

“++”代表对应的PI_T1或者PI_T4在原PI的基础上增大；“--” 代表对应的PI_T1或者PI_T4在原PI的基础上减小。

分四种情况：

第一种，正向Buck状态，D41导通，D31截止，比较器U2A的输出Pos_flag为+5V，比较器U2B的输出Neg_flag为-5V,运放U3C的输出Flag为10V*R2/R1；上电容电压大于下电容电压，运放U3B输出△C为正，PI_T1=PI+ Flag*△C/10V，PI_T1在原PI的基础上增大，PI_T4=PI-Flag*△C/10V在原PI的基础上减小，上电容发放电量增多，下电容放电量减小，中点恢复平衡。

第二种，正向Buck状态，D41导通，D31截止，比较器U2A的输出Pos_flag为+5V，比较器U2B的输出Neg_flag为-5V,运放U3C的输出Flag为10V*R2/R1；下电容电压大于上电容电压，运放U3B输出△C为负，PI_T1=PI+ Flag*△C/10V，PI_T1在原PI的基础上减小，PI_T4=PI-Flag*△C/10V在原PI的基础上增大，上电容发放电量减小，下电容放电量增大，中点恢复平衡。

第三种，反向Boost状态，D41截止，D31导通，比较器U2A的输出Pos_flag为-5V，比较器U2B的输出Neg_flag为+5V,运放U3C的输出Flag为-10V*R2/R1；上电容电压大于下电容电压，运放U3B输出△C为正，PI_T1=PI+ Flag*△C/10V，PI_T1在原PI的基础上减小，PI_T4=PI-Flag*△C/10V在原PI的基础上增大，T2与T1互补，T3与T4互补，PI_T2在原PI的基础上增大，PI_T3在原PI的基础上减小，下电容充电量增大，上电容充电量减小，中点恢复平衡。

第四种，反向Boost状态，D41截止，D31导通，比较器U2A的输出Pos_flag为-5V，比较器U2B的输出Neg_flag为+5V,运放U3C的输出Flag为-10V*R2/R1；下电容电压大于上电容电压，运放U3B输出△C为负，PI_T1=PI+ Flag*△C/10V，PI_T1在原PI的基础上增大，PI_T4=PI-Flag*△C/10V在原PI的基础上减小，T2与T1互补，T3与T4互补，PI_T2在原PI的基础上减小，PI_T3在原PI的基础上增大，下电容充电量减小，上电容充电量增大，中点恢复平衡。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路，其特征在于，包括：正向外环控制环路，反向外环控制环路，内环控制环路，均压补偿控制环路，均压补偿极性生成电路，PI生成电路；

所述正向外环控制电路包括正向电压外环控制器、正向电流外环控制器和隔离选通电路；

所述内环控制电路包括运算放大器U3A，所述运算放大器U3A同相输入端与所述隔离选通电路的输出端连接，反相输入端连接电感电流采样信号iLf，输出信号PI与所述PI电路中乘法器一个输入端相连；

所述均压补偿控制环路包括运算放大器U3B，所述运算放大器U3B同相输入端连接母线中点电位给定电压Vnref信号，反相输入端连接母线下电容电压采样V下，输出端信号△C与所述PI电路中乘法器一个输入端相连，其中，Vnref=（V上+V下）/2，V上为母线上电容电压采样；

所述反向外环控制环路包括运算放大器U1C，所述运算放大器U1C同相输入端与反向输出电流给定值iref_neg信号连接，反相输入端与iLf信号连接，输出端连接高选通逻辑电路；

所述均压补偿极性生成电路两路输入分别与所述高选通逻辑电路输入端和输出端连接，另外两路输入与所述隔离选通电路中正向选通二极管D41两端连接，所述均压补偿极性生成电路输出信号Flag与所述PI生成电路的乘法器一个输入端连接；

所述PI生成电路包括乘法器和两级依次连接的运算放大器U3D、U4A，所述U3D同相输入端与PI信号连接，所述U4A反相输入端与乘法器输出信号PI_T1连接，所述U4A正相输入端与U3D的输出信号U3D_OUT连接，所述U4A输出端信号PI_T4与信号PI_T1作为调制信号与三角波比较输出驱动信号至三电平直流变换器。

2.根据权利要求1所述的非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路，其特征在于，还包括受驱动信号控制的非共地三电平DCDC变换器拓扑电路，所述非共地三电平DCDC变换器拓扑电路包括：母线上电容C上，母线下电容C下，开关管T1、T2、T3、T4和对应的体二极管D1、D2、D3、D4，电感L，电容C和电源BAT；C上一端连接D1负极，另一端同时连接C下、D2正极和D3负极，C下另一端连接D4正极，D4负极与D3正极相连，D2负极与D1正极相连，电感L和电容C并联在D2、D3两端，电源BAT并联在电容C两端，外加Uo电压。

3.根据权利要求1或2所述的非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路，其特征在于，所述高选通逻辑电路为二极管D31，所述二极管D31正极连接所述运算放大器U1C输出端和均压补偿极性生成电路输入，负极连接均压补偿极性生成电路输入和-12V电源。

4.根据权利要求3所述的非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路，其特征在于，所述均压补偿极性生成电路包括运算放大器U2B、U2A和U3C，所述运算放大器U2B同相输入端连接二极管D31正极，反相输入端连接二极管D31负极，所述运算放大器U2A同相输入端连接二极管D41正极，反相输入端连接二极管D41负极，所述运算放大器U2B、U2A的输出信号Neg_flag和Pos_flag分别连接运算放大器U3C的反相输入端和同相输入端，U3C输出端输出Flag信号。

5.根据权利要求1或2所述的非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路，其特征在于，所述乘法器为AD633J，所述均压补偿控制环路输出信号△C连接乘法器脚1，所述均压补偿极性生成电路输出信号Flag连接乘法器脚7，所述内环控制环路输出信号PI连接脚4，脚5输出信号PI_T1。

6.根据权利要求5所述的非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路，其特征在于，所述PI生成电路还包括电阻R61、R62、R63、R64、R65、R66、R67，R61连接在所述运算放大器U3D反相输入端和地之间，R62连接在U3D反相输入端和输出端之间，R63连接在所述内环控制环路输出信号PI和U3D同相输入端之间，R64连接在所述乘法器输出信号PI_T1与所述运算放大器U4A的反相输入端之间，R65连接在U4A反相输入端和输出端之间，R66连接在U3D输出端与U4A同相输入端之间，R67连接在U4A同相输入端和地之间；其中，R61=R62，R63=R61//R62，R64=R65=R66=R67，则PI_T1=△C*Flag/10V+PI，U3D_OUT=2PI，PI_T4=PI-△C*Flag/10V。

7.根据权利要求1或2所述的非共地式三电平直流变换器中点电位控制电路，其特征在于，所述正向外环控制环路的运算放大器U1A、U1B、运算放大器U1C、U3A、U3B外均有补偿电路。

8.一种基于权利要求2所述电路的非共地式三电平直流变换器中点电位控制方法，其特征在于，包括步骤：信号PI_T4与信号PI_T1与相位相差180°的三角波Uc1和Uc2比较产生输出至三电平直流变换器的四种波形，分别控制开关管T1、T2、T3、T4通断，实现母线上、下电容充放电，控制直流变换器中点电位平衡。

9.根据权利要求8所述的非共地式三电平直流变换器中点电位控制方法，其特征在于，具体控制策略为：

若PI_T1>Uc1，则T1=1，T2=0；若PI_T1<Uc1，则T1=0，T2=1；若PI_T4>Uc2，则T3=0，T4=1；若PI_T4<Uc2，则T3=1，T4=0；正向工作时，T1和T4同时导通不会影响上下电容的均压情况，T1和T4中仅T1开通上电容放电，T1和T4中仅T4开通下电容放电；反向工作时，T2和T3同时导通不会影响上下电容的均压情况，T2和T3中仅T3开通上电容充电，T2和T3中仅T2开通下电容充电。

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