CN212518794U - 双向三电平dc-dc转换器的升压和降压控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及双向三电平DC‑DC转换器的升压和降压控制装置，升压控制装置包括依次连接的母线电压外环、电感电流内环和第一信号输出端，以及依次连接的飞跨电容电压环和第二信号输出端，电感电流内环输出第一占空比信号；飞跨电容电压环输出第二占空比信号；第一信号输出端包括依次连接的减法器和PWM单元，第二信号输出端包括依次连接的加法器和PWM单元，减法器和加法器均分别连接第一占空比信号和第二占空比信号，PWM单元用于输出反相的两个控制信号。与现有技术相比，本实用新型利用变占空比和变相位的混合控制方法，能稳定维持飞跨电容平衡，具有稳定可靠、成本低、提高电动汽车运行里程等优点。

Description

双向三电平DC-DC转换器的升压和降压控制装置

技术领域

本实用新型涉及双向三电平DC-DC转换器控制领域，尤其是涉及双向三电平DC-DC转换器的升压和降压控制装置。

背景技术

汽车上的锂电池通过DC-DC升压给电机控制器供高于锂电池的电压来提高电机的效率，当电动汽车的电机处于发电模式时，能够把电机发的电通过双向DC-DC降压给锂电池冲电，提高续航。同时减少为了得到高压而串联的锂电池的数量，即可减少锂电池的成本。使用三电平的双向DC-DC相比二电平的DC-DC有减少IGBT开关应力、减小储能电感的感量和体积、增加DC-DC的功率密度。由于三电平DC-DC引入了飞跨电容，在控制算法上需要维持飞跨电容电压的平衡，只有当飞跨电容的电压维持在高压侧电压的一半时整个系统才能保持稳定，如果飞跨电容的电压不平衡时有可能造成IGBT的损坏。

现有的控制飞跨电容电压平衡的方法以BOOST(升压模式)为例通过控制Q1和Q2导通和关断的时间来维持飞跨电容电压的平衡。核心就是如果飞跨电容电压低于目标值时，增加Q1的导通时间ΔD1，即增加飞跨电容的充电时间，同时减少Q2的导通时间ΔD2即减少飞跨电容的放电的时间，由于飞跨电容的电压和输出的电压是耦合的，即改变飞跨电容的电压有可能导致输出电压的改变，现有的方法通过ΔD1＝ΔD2使飞跨电容电压和输出电压解耦。现有的方法针对负载变化范围不大时是可行的，但针对应用于电机前级的DC-DC现有的方法无法在全功率范围内维持飞跨电容电压平衡。且由于飞跨电容的存在，在DC-DC启动的时候需要对飞跨电容预充，现有通过硬件的方式预充成本比较高。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种更有效地维持飞跨电容电压平衡的双向三电平DC-DC转换器的升压和降压控制装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种双向三电平DC-DC转换器的升压控制装置，所述双向三电平DC-DC转换器包括锂电池、电感、四个IGBT开关管、飞跨电容和母线电容，所述升压控制装置包括依次连接的母线电压外环、电感电流内环和第一信号输出端，以及依次连接的飞跨电容电压环和第二信号输出端，

所述母线电压外环通过减法器分别连接有标准母线电压值和实际母线电压值；

所述电感电流内环通过减法器分别连接所述母线电压外环的输出，和所述电感的电流值，并输出第一占空比信号；

所述飞跨电容电压环通过减法器分别连接实际母线电压值的一半，和所述飞跨电容的电压，并输出第二占空比信号；

所述第一信号输出端包括依次连接的减法器和PWM单元，所述减法器的正输入端连接所述第一占空比信号，负输入端连接所述第二占空比信号；所述第二信号输出端包括依次连接的加法器和PWM单元，所述加法器分别连接所述第一占空比信号和第二占空比信号，所述PWM单元用于输出反相的两个控制信号。

进一步地，所述减法器和PWM单元的连接线路中还设有占空比限幅器，所述加法器和PWM单元的连接线路中还设有占空比限幅器。

进一步地，所述母线电压外环包括依次连接的减法器、电压比例积分调节器和参考值限幅器，所述减法器的正输入端连接标准母线电压值，负输入端连接实际母线电压值；

进一步地，所述电感电流内环包括依次连接的减法器、电流比例积分调节器和占空比限幅器，所述减法器的正输入端连接母线电压外环的输出，负输入端连接所述电感的电流值；

进一步地，所述飞跨电容电压环包括依次连接的乘法器、减法器和飞跨比例积分调节器，所述乘法器还连接有实际母线电压值，所述减法器的正输入端接入所述乘法器，负输入端连接飞跨电容电压值，所述乘法器的数值为0.5。

本实用新型还提供一种双向三电平DC-DC转换器的降压控制装置，所述双向三电平DC-DC转换器包括锂电池、电感、四个IGBT开关管、飞跨电容和母线电容，所述升压控制装置包括依次连接的锂电池电压外环、电感电流内环和第三信号输出端，以及依次连接的飞跨电容电压环和第四信号输出端，

所述锂电池电压外环通过减法器分别连接有标准锂电池电压值和实际锂电池电压值；

所述电感电流内环通过减法器分别连接所述锂电池电压外环的输出，和所述电感的电流值，并输出第三占空比信号；

所述飞跨电容电压环通过减法器分别连接实际母线电压值的一半，和所述飞跨电容的电压，并输出第四占空比信号；

所述第三信号输出端包括依次连接的加法器和PWM单元，所述加法器分别连接所述第三占空比信号和第四占空比信号；所述第四信号输出端包括依次连接的减法器和PWM单元，所述减法器的正输入端连接所述第三占空比信号，负输入端连接所述第四占空比信号，所述PWM单元用于输出反相的两个控制信号。

进一步地，所述加法器和PWM单元的连接线路中还设有占空比限幅器，所述减法器和PWM单元的连接线路中还设有占空比限幅器。

进一步地，所述锂电池电压外环包括依次连接的减法器、电压比例积分调节器和参考值限幅器，所述减法器的正输入端连接标准锂电池电压值，负输入端连接实际锂电池电压值；

进一步地，所述电感电流内环包括依次连接的减法器、电流比例积分调节器和占空比限幅器，所述减法器的正输入端连接锂电池电压外环的输出，负输入端连接所述电感的电流值；

进一步地，所述飞跨电容电压环包括依次连接的乘法器、减法器和飞跨比例积分调节器，所述乘法器还连接有实际母线电压值，所述减法器的正输入端接入所述乘法器，负输入端连接飞跨电容电压值，所述乘法器的数值为0.5。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)在双向三电平DC-DC转换器的升压控制装置和降压控制装置中利用变占空比和变相位的混合控制方法维持飞跨电容平衡，可以使得该双向三电平DC-DC转换器适用范围广，在负载宽范围变化时都能维持输出电压稳定，飞跨电容电压平衡；

(2)飞跨电容的预充方法，利用已有的硬件电路，通过软件控制实现飞跨预充，无需额外的预充电路，节省了成本；

(3)本实用新型提出双向三电平DC-DC转换器控制方法进行模式管理，平滑的实现BOOST(升压模式)和BUCK(降压模式)的切换，实现不仅能够驱动电机运行，同时能够回收能量，提高电动汽车运行里程。

附图说明

图1为本实用新型利用的双向三电平DC-DC转换器的拓扑结构示意图；

图2为本实用新型飞跨电容预充流程图；

图3为本实用新型飞跨电容Cf预充回路示意图；

图4为本实用新型升压控制装置的结构示意图；

图5为本实用新型降压控制装置的结构示意图；

图6为本实用新型双向三电平DC-DC转换器控制方法的模式管理示意图；

图中，1、母线电压外环，2、电感电流内环，3、第一信号输出端，4、飞跨电容电压环，5、第二信号输出端，6、锂电池电压外环，7、第三信号输出端，8、第四信号输出端，9、减法器，10、加法器，11、电压比例积分调节器，12、电流比例积分调节器，13、飞跨比例积分调节器，14、参考值限幅器，15、占空比限幅器，16、乘法器，17、PWM单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种双向三电平DC-DC转换器的升压控制装置，双向三电平DC-DC转换器包括锂电池、电感、四个IGBT开关管、飞跨电容和母线电容，升压控制装置包括依次连接的母线电压外环1、电感电流内环2和第一信号输出端3，以及依次连接的飞跨电容电压环4和第二信号输出端5。

下面对各部件进行详细描述。

1、双向三电平DC-DC转换器

如图1所示，双向三电平DC-DC转换器包括锂电池、电感、四个IGBT开关管、飞跨电容和母线电容，四个IGBT开关管为依次连接的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管连接锂电池，锂电池与电感的连接线路中连接有第二继电器开关，该第二继电器开关并联有依次串联的第一继电器开关和电阻。

2、升压控制装置

2.1、母线电压外环1

如图4所示，母线电压外环1通过减法器9分别连接有标准母线电压值和实际母线电压值；

具体地，母线电压外环1包括依次连接的减法器9、电压比例积分调节器11和参考值限幅器14，减法器9的正输入端连接标准母线电压值，负输入端连接实际母线电压值。

图4中，V_PI为母线电压外环1的电压比例积分调节器11，Iref_Limit对电压比例积分调节器11的输出电流环的参考值限幅器14。

2.2、电感电流内环2

电感电流内环2通过减法器9分别连接母线电压外环1的输出，和电感的电流值，并输出第一占空比信号；

具体地，电感电流内环2包括依次连接的减法器9、电流比例积分调节器12和占空比限幅器15，减法器9的正输入端连接母线电压外环1的输出，负输入端连接电感的电流值；

图4中，I_PI为电流比例积分调节器12，duty_Limit为占空比限幅器15。

2.3、第一信号输出端3和第二信号输出端5

第一信号输出端3包括依次连接的减法器9和PWM单元17，减法器9的正输入端连接第一占空比信号，负输入端连接第二占空比信号；第二信号输出端5包括依次连接的加法器10和PWM单元17，加法器10分别连接第一占空比信号和第二占空比信号，PWM单元17用于输出反相的两个控制信号。

减法器9和PWM单元17的连接线路中还设有占空比限幅器15，加法器10和PWM单元17的连接线路中还设有占空比限幅器15。

2.4、飞跨电容电压环4

飞跨电容电压环4通过减法器9分别连接实际母线电压值的一半，和飞跨电容的电压，并输出第二占空比信号；

具体地，飞跨电容电压环4包括依次连接的乘法器16、减法器9和飞跨比例积分调节器13，乘法器16还连接有实际母线电压值，减法器9的正输入端接入乘法器16，负输入端连接飞跨电容电压值，乘法器16的数值为0.5。

飞跨电容电压环4在飞跨比例积分调节器13连接线路后也可以接入Uf_Limit，为飞跨电容电压限幅器，本实施例中未增加。

2.5、工作原理

通过母线电压外环1、飞跨电容电压环4、电感电流内环2调节计算出4个IGBT(IGBT开关管)驱动信号的占空比和相位差，实现锂电池升压给电机驱动器供电的目的，如图4所示。母线电压外环1能够保持输出电压稳定，减小实际母线电压值的波动，给电机控制器提供稳定的电压。电感电流内环2可以提高系统的动态性能。同时可以起到限流的作用，避免大电流损坏元器件。飞跨电容电压环4，稳定飞跨电容电压值在实际母线电压值的一半。本实施例通过变占空比和变相位的混合控制来维持飞跨电容电压平衡，具体步骤如下。D是经母线电压外环1和电感电流内环2计算得到的占空比。ΔD是飞跨电容电压环4的输出，D2＝D-ΔD，D2是Q2的占空比。经过PWM单元17得到一对互补的Q2和Q3的驱动信号。D1＝D+ΔD，D1是Q1的占空比，Q1和Q2信号相位差180°-ΔD°。经PWM单元17得到驱动信号Q1和Q4，Q1和Q4的驱动信号互补。通过这种变占空比变相位的混合控制，能够很好的维持飞跨电容电压稳定，不会随着负载的突变导致飞跨电容电压不平衡。

如图5所示，本实施例还提供一种双向三电平DC-DC转换器的降压控制装置，双向三电平DC-DC转换器包括锂电池、电感、四个IGBT开关管、飞跨电容和母线电容，升压控制装置包括依次连接的锂电池电压外环6、电感电流内环2和第三信号输出端7，以及依次连接的飞跨电容电压环4和第四信号输出端8；

下面对各部件进行具体描述。

3.1、锂电池电压外环6

锂电池电压外环6通过减法器9分别连接有标准锂电池电压值和实际锂电池电压值；

锂电池电压外环6包括依次连接的减法器9、电压比例积分调节器11和参考值限幅器14，减法器9的正输入端连接标准锂电池电压值，负输入端连接实际锂电池电压值；

3.2、电感电流内环2

电感电流内环2通过减法器9分别连接锂电池电压外环6的输出，和电感的电流值，并输出第三占空比信号；

电感电流内环2包括依次连接的减法器9、电流比例积分调节器12和占空比限幅器15，减法器9的正输入端连接锂电池电压外环6的输出，负输入端连接电感的电流值；

3.3、第三信号输出端7和第四信号输出端8

第三信号输出端7包括依次连接的加法器10和PWM单元17，加法器10分别连接第三占空比信号和第四占空比信号；第四信号输出端8包括依次连接的减法器9和PWM单元17，减法器9的正输入端连接第三占空比信号，负输入端连接第四占空比信号，PWM单元17用于输出反相的两个控制信号。

加法器10和PWM单元17的连接线路中还设有占空比限幅器15，减法器9和PWM单元17的连接线路中还设有占空比限幅器15。

3.4、飞跨电容电压环4

飞跨电容电压环4通过减法器9分别连接实际母线电压值的一半，和飞跨电容的电压，并输出第四占空比信号；

飞跨电容电压环4包括依次连接的乘法器16、减法器9和飞跨比例积分调节器13，乘法器16还连接有实际母线电压值，减法器9的正输入端接入乘法器16，负输入端连接飞跨电容电压值，乘法器16的数值为0.5。

3.5、工作原理

这三个环路实现当电机发电时经过DC/DC实现能量的回收。如图4所示。锂电池电压外环能够保持给电磁充电电压稳定，可以做到恒压模式给锂电池充电。电感电流内环2可以提高系统的动态性能，同时可以做到恒流模式给锂电池充电，避免大电流充电损坏电池。飞跨电容电压环4，稳定飞跨电容电压在母线电压的一半。和升压模式一样通过变占空比和变相位的混合控制来维持飞跨电容电压平衡，但是具体占空比的计算和升压模式不一样。在降压模式时，D2＝D+ΔD，D1＝D-ΔD，Q1和Q2的相位差是180°+ΔD°。

如图6所示，本实施例还提供一种双向三电平DC-DC转换器的控制方法，包括以下步骤：

电容预充步骤：对锂电池电容、飞跨电容和母线电容进行预充；

预充过程需要通过单片机采集电池电压Uin、飞跨电容电压Uf、母线电压Uo、电感电流IL。电容充电时相当于短路，需要预充电阻限制电流。电路中有Cin、Co、Cf三个电容需要预充，当继电器K1闭合电流经过预充电阻R可以给Cin和Co的预充。

飞跨电容Cf的预充需要在DC/DC控制器上电完成初始化后开通Q1、关闭Q2,然后等待K1闭合，当K1闭合后电流经过预充电阻R，储能电感L，和Q3并联的二极管，飞跨电容Cf、IGBT Q1这个回路给Cf预充，飞跨电容Cf的预充回路如图3所示。飞跨电容Cf的预充流程图如图2所示。

如图2所示，具体地，飞跨电容进行预充，包括以下步骤：

S201：对双向三电平DC-DC转换器进行系统初始化；

S202：使第一开关管Q1导通，第二开关管Q2关闭；

S203：闭合第一继电器开关K1；

S204：实时监测并判断飞跨电容电压Uf是否不低于锂电池电压的一半，如果条件不满足继续等待，如果满足，则执行步骤S205；

S205：关闭第一开关管Q1和第二开关管Q2；

S206：实时监测并判断实际母线电压Uo是否等于锂电池电压Uin，如果条件不满足继续等待，如果满足，则飞跨电容的预充完成。当预充完成后等待系统的命令是进入升压模式还是开环模式。

升压模式控制步骤：当双向三电平DC-DC转换器处于升压模式时，受如上所述的一种双向三电平DC-DC转换器的升压控制装置控制，并实时监测母线电压，若母线电压大于预设的高压阈值，则切换为降压模式；

降压模式控制步骤：当双向三电平DC-DC转换器处于降压模式时，当双向三电平DC-DC转换器处于降压模式时，受如上所述的一种双向三电平DC-DC转换器的降压控制装置控制，并实时监测母线电压，若母线电压大于预设的低压阈值，则切换为升压模式；本实施例中，高压阈值为700V，低压阈值为270V。

故障控制步骤：实时诊断是否发生故障，若发生过压、过流、过温等故障，则停止双向三电平DC-DC转换器当前的模式，并进入故障模式。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双向三电平DC-DC转换器的升压控制装置，所述双向三电平DC-DC转换器包括锂电池、电感、四个IGBT开关管、飞跨电容和母线电容，其特征在于，所述升压控制装置包括依次连接的母线电压外环(1)、电感电流内环(2)和第一信号输出端(3)，以及依次连接的飞跨电容电压环(4)和第二信号输出端(5)，

所述母线电压外环(1)通过减法器(9)分别连接有标准母线电压值和实际母线电压值；

所述电感电流内环(2)通过减法器(9)分别连接所述母线电压外环(1)的输出，和所述电感的电流值，并输出第一占空比信号；

所述飞跨电容电压环(4)通过减法器(9)分别连接实际母线电压值的一半，和所述飞跨电容的电压，并输出第二占空比信号；

所述第一信号输出端(3)包括依次连接的减法器(9)和PWM单元(17)，所述减法器(9)的正输入端连接所述第一占空比信号，负输入端连接所述第二占空比信号；所述第二信号输出端(5)包括依次连接的加法器(10)和PWM单元(17)，所述加法器(10)分别连接所述第一占空比信号和第二占空比信号，所述PWM单元(17)用于输出反相的两个控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种双向三电平DC-DC转换器的升压控制装置，其特征在于，所述减法器(9)和PWM单元(17)的连接线路中还设有占空比限幅器(15)，所述加法器(10)和PWM单元(17)的连接线路中还设有占空比限幅器(15)。

3.根据权利要求1所述的一种双向三电平DC-DC转换器的升压控制装置，其特征在于，所述母线电压外环(1)包括依次连接的减法器(9)、电压比例积分调节器(11)和参考值限幅器(14)，所述减法器(9)的正输入端连接标准母线电压值，负输入端连接实际母线电压值。

4.根据权利要求1所述的一种双向三电平DC-DC转换器的升压控制装置，其特征在于，所述电感电流内环(2)包括依次连接的减法器(9)、电流比例积分调节器(12)和占空比限幅器(15)，所述减法器(9)的正输入端连接母线电压外环(1)的输出，负输入端连接所述电感的电流值。

5.根据权利要求1所述的一种双向三电平DC-DC转换器的升压控制装置，其特征在于，所述飞跨电容电压环(4)包括依次连接的乘法器(16)、减法器(9)和飞跨比例积分调节器(13)，所述乘法器(16)还连接有实际母线电压值，所述减法器(9)的正输入端接入所述乘法器(16)，负输入端连接飞跨电容电压值，所述乘法器(16)的数值为0.5。

6.一种双向三电平DC-DC转换器的降压控制装置，所述双向三电平DC-DC转换器包括锂电池、电感、四个IGBT开关管、飞跨电容和母线电容，其特征在于，所述升压控制装置包括依次连接的锂电池电压外环(6)、电感电流内环(2)和第三信号输出端(7)，以及依次连接的飞跨电容电压环(4)和第四信号输出端(8)，

所述锂电池电压外环(6)通过减法器(9)分别连接有标准锂电池电压值和实际锂电池电压值；

所述电感电流内环(2)通过减法器(9)分别连接所述锂电池电压外环(6)的输出，和所述电感的电流值，并输出第三占空比信号；

所述飞跨电容电压环(4)通过减法器(9)分别连接实际母线电压值的一半，和所述飞跨电容的电压，并输出第四占空比信号；

所述第三信号输出端(7)包括依次连接的加法器(10)和PWM单元(17)，所述加法器(10)分别连接所述第三占空比信号和第四占空比信号；所述第四信号输出端(8)包括依次连接的减法器(9)和PWM单元(17)，所述减法器(9)的正输入端连接所述第三占空比信号，负输入端连接所述第四占空比信号，所述PWM单元(17)用于输出反相的两个控制信号。

7.根据权利要求6所述的一种双向三电平DC-DC转换器的降压控制装置，其特征在于，所述加法器(10)和PWM单元(17)的连接线路中还设有占空比限幅器(15)，所述减法器(9)和PWM单元(17)的连接线路中还设有占空比限幅器(15)。

8.根据权利要求6所述的一种双向三电平DC-DC转换器的降压控制装置，其特征在于，所述锂电池电压外环(6)包括依次连接的减法器(9)、电压比例积分调节器(11)和参考值限幅器(14)，所述减法器(9)的正输入端连接标准锂电池电压值，负输入端连接实际锂电池电压值。

9.根据权利要求6所述的一种双向三电平DC-DC转换器的降压控制装置，其特征在于，所述电感电流内环(2)包括依次连接的减法器(9)、电流比例积分调节器(12)和占空比限幅器(15)，所述减法器(9)的正输入端连接锂电池电压外环(6)的输出，负输入端连接所述电感的电流值。

10.根据权利要求6所述的一种双向三电平DC-DC转换器的降压控制装置，其特征在于，所述飞跨电容电压环(4)包括依次连接的乘法器(16)、减法器(9)和飞跨比例积分调节器(13)，所述乘法器(16)还连接有实际母线电压值，所述减法器(9)的正输入端接入所述乘法器(16)，负输入端连接飞跨电容电压值，所述乘法器(16)的数值为0.5。

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