CN116015072B - 一种宽范围变换器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽范围变换器的控制方法，其特征在于：该方法具体包括：步骤一，基于输出电压V_o生成直流电压V_s，该直流电压V_s随着输入电压V_in的变化而变化；步骤二，确定变换器输出的母线电压的下限值；步骤三，基于输入电压V_in生成纹波电压V_r，该纹波电压V_r为通过控制输出调理后的带有纹波的电压，随后，基于直流电压V_s、输入电压V_in和纹波电压V_r确定输出电压参考，最后，基于直流电压V_s和纹波电压V_r以及输出电压V_o随时间的变化，得到最终变换器输出电压V_o。本发明通过将变换器的输入端电压或输出端电压分离出不经调理的直流电压V_s和经调理带有纹波的电压V_r，最终在本申请的控制方法下，实现最高的能量传递效率。

Description

一种宽范围变换器的控制方法

技术领域

本发明涉及变换器控制领域，具体涉及一种宽范围变换器的控制方法。

背景技术

在使用储能电池给交流负载供电的应用场景中，多使用DC/DC加DC/AC变换器的两级结构，如图1所示。其中，DC/DC用于实现电池电压到直流母线电压的直流变换，DC/AC用于实现母线电压到输出交流电压的变换。同时，由于给电池充电的需要，如图2所示，上述过程需要反向实现，即首先通过AC/DC将交流输入整流成直流母线的电压，再通过DC/DC变换器将母线电压转换到电池电压。

在现有方案中，有采用CLLC拓扑单极拓扑，实现DC/DC级的电能变换的方案。如图3所示，该系统左侧的输入为电网交流电压，右侧的输出为电池电压。

对于CLLC拓扑，以及类似的谐振型拓扑，均通过调整开关管的频率，实现电压调节，继而在不同输入电压下实现输出的稳压。当工作在谐振频率时，该类拓扑的电能转换效率最高，此时电路的增益固定为1。当电路通过改变开关频率实现电压调节，开关频率偏离谐振频率越大，电能转换效率越低；而当输出功率小时，这类谐振型拓扑难以实现输出电压的降低。通过改变稳态时的母线电压，可以实现减小变换器所需的调压范围。但是在宽电池电压范围的场合，依然需要通过大幅改变开关频率的方式改变增益。而对于CLLC这类谐振型拓扑而言，当其工作在谐振频率时，效率最高。在极端的电路增益下，变换器工作的开关频率将显著偏离谐振频率，故DC/DC变换器的能量传输效率会显著降低。

因此，如何提高DC/DC变换器的转换效率成为人们亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种宽范围变换器的控制方法，该方法基于所述宽范围变换器，所述宽范围变换器具体包括位于变换器原边侧的逆变电路Inv.和原边绕组P，逆变电路Inv.输入端接有电容，以及位于变换器副边侧的整流电路Rec.B和DC/DC调压电路、整流电路Rec.A1和整流电路Rec.An；整流电路Rec.B输入端连接副边绕组S、输出端连接电容COB，其特征在于：该方法具体包括：

步骤一，基于输出电压V_o生成直流电压V_s，该直流电压Vs随着输入电压V_in的变化而变化；

步骤二，确定变换器输出的母线电压的下限值；

步骤三，基于输入电压V_in生成纹波电压V_r，该纹波电压V_r为通过控制输出调理后的带有纹波的电压，随后，基于直流电压V_s、输入电压V_in和纹波电压V_r确定输出电压参考，最后，基于直流电压V_s和纹波电压V_r以及输出电压V_o随时间的变化，得到最终变换器输出电压V_o。

可选的，在步骤一中，影响直流电压V_s与输入电压V_in的关系的因素：（a）逆变电路Inv.与整流电路Rec.B的结构；（b）变压器原边绕组P与副边绕组S的匝比。

可选的，在步骤一中，将宽范围变换器电路的输入端和输出端互换，用于交流电网给电池充电的应用场合，此时，原来的整流电路Rec.B反向工作，变为逆变电路Inv.B；原来的逆变电路Inv.反向工作，变为整流电路Rec.C。

可选的，在步骤二中，输出母线电压的下限值由上述DC/AC的最低输入电压或AC/DC的最低输出电压V_{bus_min}决定，与DC/AC或AC/DC的电路结构以及Vac侧的电压规格有关。

可选的，在步骤三中，对于输出的直流电压V_s进行判断，如果高于或者等于母线电压的下限值，则输出的纹波电压V_r仅提供输出电压的电压纹波，令经过二次调理的能量达到最小值；

如果低于母线电压的下限值，输出的纹波电压V_r提供输出电压的电压纹波的同时，还提供一定的直流补偿，令输出电压高于所需的电压下限。

可选的，在步骤三中，基于直流电压V_s、输入电压V_in和纹波电压V_r确定输出电压参考的具体过程如下：

（1）根据后级DC/AC确定母线电压范围，

；

（2）根据变压器匝比和电路具体结构，确定V_s和V_in的比值：

；

（3）根据电路方案，计算获得V_bus所需的电压纹波峰峰值：

；

（4）确定DC/DC部分正常工作所需的最低电压：

；

（5）采样输入电压V_in，给出输出电压的电压参考：

。

由上述可知，本发明的技术方案由于绝大部分输出能量均通过不调压的DC/DC级传输，该部分能量始终能在最优的工作点实现效率最高的能量传输；同时，由于需要经过二次处理的能量占比很小，故该部分能量在实现电压调节的过程中产生的损耗占总输出能量的比例也就很小，即对系统的能量传输效率影响不大。本发明通过将变换器的输入端电压或输出端电压划分出不经调理的直流电压Vs和经调理带有纹波的电压V_r，最终在本申请的控制方法下，实现最高的能量传递效率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了电池给交流负载供电的示意图；

图2示出了电网给储能电池充电的示意图；

图3示出了现有技术中采用CLLC拓扑单极拓扑的示意图；

图4示出了本发明的宽范围变换器示意图；

图5示出了本发明的宽范围变换器示意图的具体结构示意图；

图6示出了图4中的电路的输入端和输出端互换后的结构示意图；

图7示出了DC/DC调压电路的一种降压型电路示意图；

图8示出了通过闭环反馈的方式实现输出电压纹波的被动控制的原理图；

图9示出了输出电压参考随输入电压变化曲线示意图；

图10示出了变换器的输出电压随时间的变化曲线图；

图11基于图8所示控制方式进行工作时电路输出波形示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

实施例1

本发明提供一种宽范围变换器，如图4所示，该图左半部分为该变换器，具体包括位于变换器原边侧的逆变电路Inv.和原边绕组P，逆变电路Inv.输入端接有电容，以及位于变换器副边侧的整流电路Rec.B和DC/DC调压电路、整流电路Rec.A1和整流电路Rec.An。整流电路Rec.B输入端连接副边绕组S、输出端连接电容COB，电容COB上的电压为不经调理的直流电压V_s。

DC/DC调压电路并联有整流电路Rec.A1和整流电路Rec.An，绕组S_A1和绕组S_An分别连接对应的整流电路Rec.A1和整流电路Rec.An，逆整流电路Rec.A1和整流电路Rec.An各自的输入端都并联接入同一DC/DC调压电路，且每个整流电路和DC/DC调压电路间均连接有电容。

DC/DC调压电路并联有电容COC,电容COC上的电压为经调理带有纹波的电压V_r，并与整流电路Rec.B的输出端相接，由COB与COC串联承担输出电压V_bus。该DC/DC变换器左侧输入电压V_in。

更为具体的，图4中的逆变电路Inv.、整流电路Rec.A1、整流电路Rec.An、整流电路Rec.B可以是全桥逆变电路、半桥逆变电路、推挽逆变电路、全桥整流电路、半桥整流电路、中心抽头整流电路中的一种或者多种结构，如图5所示，并规定输入电压范围为V_{in_min}-V_{in_max}，即输入电压V_in的最小值到最大值之间的范围。

基于上述宽范围变换器，本发明提供一种宽范围变换器的控制方法，该方法具体包括：

步骤一，基于输出电压V_o生成直流电压V_s，该直流电压V_s随着输入电压V_in的变化而变化。

直流电压V_s输出的不经调理的直流电压，由于电路工作在谐振频率，且逆变电路Inv.与整流电路Rec.B可以是全桥逆变电路、半桥逆变电路、推挽逆变电路、全桥整流电路、半桥整流电路、中心抽头整流电路中的一种或者多种结构，所以直流电压V_s与输入电压V_in的比值与副边绕组S与原边绕组P的匝比有关。

具体为：

（1）影响直流电压V_s与输入电压V_in的关系的因素：（a）逆变电路Inv.与整流电路Rec.B的结构；（b）变压器原边绕组P与副边绕组S的匝比。在逆变电路Inv. 与整流电路Rec.B的结构相同时（比如全桥结构），电压V_s与输入电压V_in的关系满足：

；

具体的电路结构选择与原副边绕组匝数的确认与电路的实际应用场景有关。在用于DC/AC前级时，还受DC/AC的输入电压范围影响。比如DC/AC允许的输入最高电压为V_{bus_max}，则应满足：

；

在逆变电路Inv. 与整流电路Rec.B的结构相同的条件下，应满足:

；

（2）将图4中的电路的输入端和输出端互换，用于交流电网给电池充电的应用场合，如图6所示，即图6的右半部分。

此时，原来的整流电路Rec.B反向工作，变为逆变电路Inv.B；原来的逆变电路Inv.反向工作，变为整流电路Rec.C。在逆变电路Inv.B与整流电路Rec.C的结构相同的条件下（比如均为全桥结构），电压V_s与电池电压V_battery的关系同样满足：

。

具体的电路结构选择与原副边绕组匝数的确认与电路的实际应用场景有关。在用于AC/DC后级时，还受AC/DC的输出电压范围影响。比如AC/DC的输出最高电压为V_{bus_max}，则应满足：

；

逆变电路Inv.B与整流电路Rec.C的结构相同的条件下，应满足:

。

步骤二，确定变换器输出的母线电压的下限值。

具体为：输出母线电压的下限值由上述DC/AC的最低输入电压或AC/DC的最低输出电压V_{bus_min}决定。该参数与DC/AC或AC/DC的电路结构以及V_ac侧的电压规格有关。

步骤三，基于输入电压V_in生成纹波电压V_r，该纹波电压V_r为通过控制输出调理后的带有纹波的电压，随后，基于直流电压V_s、输入电压V_in和纹波电压V_r确定输出电压参考，最后，基于直流电压V_s和纹波电压V_r以及输出电压V_o随时间的变化，得到最终变换器输出电压V_o。

具体为：基于输入电压V_in生成的纹波电压V_r通过图4中的DC/DC结构经过闭环控制得到，该DC/DC电路包含滤波电感以及多组半桥或则全桥电路，如图7所示。用于生成纹波电压V_r的闭环控制框图如图8所示。

在图8所示的闭环控制框图中，电压用于控制变换器输出电压V_o的平均值，电流环则将变换器的输入电流控制成直流，控制效果由反馈回路调节DC/DC调压电路的输出电压V_r实现。

由于输入电压为直流且输入电流被反馈回路控制成直流，变换器的输出功率是恒定的。而后级DC/AC的输入功率是脉动的，母线电容两端瞬时功率的不平衡将令变换器输出电压V_o产生电压纹波。因为直流电压V_s被电路结构确定，在反馈回路调节下DC/DC调压电路将输出带有纹波的电压V_r。

另外，采样输出电压V_o控制输出电压平均值，该平均值电压参考由输入电压V_in对应的直流电压V_s与所需的电压纹波峰峰值共同给出。

对于输出的直流电压V_s进行判断，如果高于或者等于母线电压的下限值，则输出的纹波电压V_r仅提供输出电压的电压纹波，令经过二次调理的能量达到最小值。

如果低于母线电压的下限值，输出的纹波电压V_r提供输出电压的电压纹波的同时，还提供一定的直流补偿，令输出电压高于所需的电压下限。

基于直流电压V_s、输入电压V_in和纹波电压V_r确定输出电压参考的具体过程如下所示：

（1）根据后级DC/AC确定母线电压范围，

；

（2）根据变压器匝比和电路具体结构，确定V_s和V_in的比值：

；

（3）根据电路方案，计算获得V_bus所需的电压纹波峰峰值：

；

（4）确定DC/DC部分正常工作所需的最低电压：

；

（5）采样输入电压V_in，给出输出电压的电压参考：

；

输出电压参考

随输入电压变化曲线示意图如图9所示。

最后，基于直流电压V_s和纹波电压V_r以及输出电压V_o随时间的变化，得到最终变换器输出电压V_o，输出电压V_o随时间的变化曲线示意图如图10所示。

通过反馈回路，令直流母线电压平均值满足要求的同时产生二倍逆变器输出频率的电压纹波，该电压纹波由经调理带有的电压V_r承担。电路运行时的相关波形如图11所示。

对于V_bus所在的母线电容而言，其输入功率是直流的，而输出功率是脉动的，这两部分的能量差值决定了母线电容电压的变化量。在逆变输出接电阻负载时，近似的有：

。

由于输出的V_s部分保持恒定，所以母线上的纹波电压全部由V_r承担，通过设置合理的V_ref，令V_r部分承担电压纹波的同时提供最少的直流偏置，最终实现高效的能量传输。

另外，当母线电容较大时，改变控制回路采样输入电流，令输出电流为直流也能达到上述效果。因为此时DC/DC变换器的输出功率也近似直流，并且电路反向工作时同理，V_s和V_r均为变为输入电压。

当变换器工作时，逆变电路Inv.、整流电路Rec.An、整流电路Rec,B由于没有调压要求，可以轻松达到远高于调压型DC/DC变换器的能连传递效率，大部分功率通过不经调理的电压V_s向后传递。而为了满足调压要求，由DC/DC调压电路调理小部分能量后，得到经调理的电压V_r向后传递功率。

而上述设计最大限度地保证主要能量通过V_s传递到后级，而V_r电压仅用于提供电压纹波或必要的直流偏置。最终令电路在保留部分调压能力的情况下达到不调压型DC/DC变换器的能量转换效率。

以上所描述的实施例仅仅是示意性的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (6)

1.一种宽范围变换器的控制方法，该方法基于所述宽范围变换器，所述宽范围变换器具体包括位于变换器原边侧的逆变电路Inv.和原边绕组P，逆变电路Inv.输入端接有电容，以及位于变换器副边侧的整流电路Rec.B和DC/DC调压电路、整流电路Rec.A1和整流电路Rec.An；整流电路Rec.B输入端连接副边绕组S、输出端连接电容COB，DC/DC调压电路并联有整流电路Rec.A1和整流电路Rec.An，绕组S_A1和绕组S_An分别连接对应的整流电路Rec.A1和整流电路Rec.An，逆整流电路Rec.A1和整流电路Rec.An各自的输入端都并联接入同一DC/DC调压电路，且每个整流电路和DC/DC调压电路间均连接有电容；

其特征在于：该方法具体包括：

步骤一，基于输出电压V_o生成直流电压V_s，该直流电压V_s随着输入电压V_in的变化而变化；

步骤二，确定变换器输出的母线电压的下限值；

步骤三，基于输入电压V_in生成纹波电压V_r，该纹波电压V_r为通过控制输出调理后的带有纹波的电压，随后，基于直流电压V_s、输入电压V_in和纹波电压V_r确定输出电压参考，最后，基于直流电压V_s和纹波电压V_r以及输出电压V_o随时间的变化，得到最终输出电压V_o。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤一中，影响直流电压V_s与输入电压V_in的关系的因素：（a）逆变电路Inv.与整流电路Rec.B的结构；（b）原边绕组P与副边绕组S的匝比。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将宽范围变换器的输入端和输出端互换，用于交流电网给电池充电的应用场合，此时，原来的整流电路Rec.B反向工作，变为逆变电路Inv.B；原来的逆变电路Inv.反向工作，变为整流电路Rec.C。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：输出母线电压的下限值由DC/AC的最低输入电压或AC/DC的最低输出电压V_{bus_min}决定，与DC/AC或AC/DC的电路结构以及V_ac侧的电压规格有关。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤三中，对于输出的直流电压V_s进行判断，如果高于或者等于母线电压的下限值，则输出的纹波电压V_r仅提供输出电压V_o的电压纹波，令经过二次调理的能量达到最小值；

如果低于母线电压的下限值，输出的纹波电压V_r提供输出电压的电压纹波的同时，还提供一定的直流补偿，令输出电压高于母线电压的下限值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤三中，基于直流电压V_s、输入电压V_in和纹波电压V_r确定输出电压V_o参考的具体过程如下：

（1）根据后级DC/AC确定母线电压范围，

；

（2）根据变压器匝比和电路具体结构，确定V_s和V_in的比值：

；

（3）根据电路方案，计算获得所需的电压纹波峰值：

；

（4）确定DC/DC部分正常工作所需的最低电压：

；

（5）采样输入电压V_in，给出输出电压的电压参考：

。

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