CN102263496A - 一种用于多模块dc-dc变换器的功率均分控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，特别涉及一种用于输入串联输出串联的隔离式DC-DC变换器的功率均分控制方法，属于电力电子技术领域。采用输出电压和输出电流双闭环控制，通过占空比重新分配的方式产生各个模块的PWM信号，达到各模块的输出电压均分，从而实现每个模块功率均分。本发明控制方法简单，所用传感器的数量少，同时也降低对传感器要求，减少了生产成本，具有冗余投切的功能，可以提高整个***的可靠性和稳定性。

Description

一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，特别涉及一种用于输入串联输出串联的隔离式DC-DC变换器的功率均分控制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

对于用在高压输入场合的直流电源，功率器件所承受的高压问题仍然是一个挑战，因为能够承受如此高电压的功率器件是十分有限的，而且成本非常高。因此，通过选择正确的拓扑结构来降低功率器件所承受的电压是十分必要的。通过输入串联输出并联或者输入串联输出串联把隔离式DC-DC变换器模块组合起来，该组合可以适用于高压输入场合。其中输入串联输出串联DC-DC变换器特别适用于输入输出电压均较高且输入且输出需要电磁隔离的供电场合，该变换器具有以下的优点：

(1)各个变换器模块均分承担原来的输入、输出电压，从而可以选用电压应力较低的开关管，而低压开关管的导通电阻较小，从而获得较高的工作效率；

(2)可以用耐压较低的MOSFET来代替耐压能力高和开关频率较低的IGBT，因此变换器的开关频率可以提升，提高了变换器的功率密度；

(3)整个***由标准模块组成，增加了***的冗余性和可靠性，同时采用模块化组合降低了生产周期和成本；

为了保证变换器正常工作，必须保证各个模块均分总的输入电压和输出电压，否则各模块间将出现功率不均，输出功率大的模块会因为过热等问题降低***的可靠性。因此，实现各模块的功率均分是需要解决的关键问题。

针对输入串联输出串联隔离式DC-DC变换器的控制，IEEE Applied PowerElectronics Conference and Exposition 2004年发表了“Input-series and output-seriesconnected modular DC-DC converters with active input voltage and output voltagesharing”(输入串联输出串联DC-DC变换器动态输入输出电压均分)一文提出了一种实现功率均分的方法。对于每个模块，该方法由输出电压环、输出电流内环以及每个模块输入均压环构成，为三闭环控制策略。输入均压环的引入通过采样每个模块的瞬时输入电压，把所有模块的输入电压取平均值作为每个模块输入均压环的给定值，同其他给定值选取方法相比可以最大程度的降低各变换器模块间和一个模块内不同控制回路的交叉影响，这种三闭环控制方法通过控制输入均压从而实现输出均压，从而保证各模块功率均分。然而，这种方法存在以下不足之处：

(1)***控制方法采用三闭环控制方式，控制方法复杂；

(2)由于既要采样输入电压，又要采样输出电压，因此需要大量的电压传感器，成本大大增加。

发明内容

本发明为了克服现有控制方法的不足，提出了一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，采用输出电压和输出电流双闭环控制，通过占空比重新分配的方式产生各个模块的PWM信号，达到各模块的输出电压均分，从而实现每个模块功率均分。由于占空比是一个开关周期内开关管通态时间所占的比率，在数值上等于调制波幅值与载波幅值的比值，因此所述占空比重新分配也即调制波的重新分配。

所述多模块DC-DC变换器的主电路由n个相同的隔离式DC-DC变换器模块通过输入端串联、输出端串联的形式构成，其中n为2或者2以上的数字，每个模块的输出回路上串接有电感，变换器可以是正激、反激、全桥、半桥、推挽或者推挽正激结构的高频隔离式DC-DC变换器。

本发明的功率均分控制方法，其步骤为：

1)确定每个模块的输出电压给定，具体为设定每个模块的输出电压给定为主电路输出电压给定v_ref的也即

2)对每个模块的输出电压和输出电感电流进行采样，采样结果记为：每个模块的输出电压分别为v_o1，…，v_oj，…，v_on，每个模块的输出电压经过采样后得到的值分别为v_of1，…，v_ofj，…，v_ofn，每个模块输出电感电流分别为i_Lf1，…，i_Lfj，…，i_Lfn，每个模块输出电感电流经过采样后得到的值分别为i_f1，…，i_fj，…，i_fn，也即其中模块j的输出电压为v_oj，经过采样后得到的值为v_ofj，输出电感电流为i_Lfj，经过采样后得到的值为i_fj，其中1≤j≤n；

3)确定每个模块电流环的给定，其中确定模块j电流环给定的具体方法为：将模块j的输出电压采样结果v_ofj与模块j的输出电压给定

进行比较，并经过电压环调节器G_vo补偿以后输出的i_refj作为模块j电流环的给定；

4)确定每个模块电流环的输出值，其中确定模块j电流环的输出值的具体方法为：将模块j的输出电感电流采样结果i_fj与模块j电流环给定i_refj进行比较，并经电流环调节器G_io补偿且经过限幅后输出的值为i_outj；

5)将通过步骤4)得到的每个模块电流环的输出值i_out1，…，i_outj，…，i_outn进行重新分配，其中模块j重新分配后的输出为

其中1≤j≤n；

6)将步骤5)得到的每个模块电流环的输出值进行重新分配后的输出作为调制波与载波进行比较，由比较产生的PWM控制信号控制每个模块中开关管的通断。

当上述含有n个DC-DC变换器的主电路中任一模块k失效时，将该模块从***中移除，即整个***由n-1个模块进行工作，正常工作的n-1个模块的输出电压给定由原先的

变为

采用占空比重新分配的控制方法，即对于正常工作的任一模块j电流环的输出值重新分配后的输出为

将其作为调制波与载波进行比较，由比较产生的PWM控制信号控制模块j开关管的通断。

当上述含有n个DC-DC变换器的主电路中新投入一个模块加入工作时，整个***由n+1个模块进行工作，其中任一模块j的输出电压给定由变为

采用占空比重新分配的控制方法，即对于正常工作的任一模块j电流环的输出值重新分配后的输出为

将其作为调制波与载波进行比较，由比较产生的PWM控制信号控制模块j开关管的通断。

整个***采用这种占空比重新分配的控制方法，达到输入输出电压均分的目的，从而实现每个模块功率均分，即使在任意模块投切的情况下***仍能正常运行，保证了高频电源能够安全稳定有效地工作。

有益效果

本发明相对于现有技术，采用电压、电流双闭环的控制方式，控制方法简单；仅需对各个模块的输出电压、输出电流进行采样，减少了所用传感器的数量，同时也降低对传感器要求，减少了生产成本；具有冗余投切的功能，可以提高整个***的可靠性和稳定性。

附图说明

图1本发明实施例的多模块DC-DC变换器主电路连接示意图；

图1中，n为主电路所包含的变换器模块数；v_in表示总的输入直流电压；S₁、S₂…S_n为各模块与输入分压电容并联的开关；C_d1、C_d2…C_dn为输入分压电容；v_cd1、v_cd2…v_cdn为各模块输入电压；i_in1、i_in2…i_inn为各模块输入电流；v_o为输出总电压；i_o为输出总电流；v_o1、v_o2…v_on为各模块输出电压；S′₁、S′₂…S′_n为各模块与输出端滤波电容并联的开关；i_Lf1、i_Lf2…i_Lfn为各模块滤波电感电流；L_f1、L_f2…L_fn为各个模块的输出滤波电感；C_f1、C_f2…C_fn为各个模块的输出滤波电容；

图2本发明实施例中所采用的功率均分控制方法的示意图；

图3本发明实施例的多模块DC-DC变换器主电路中任一模块k失效情况下的占空比重新分配控制方法；

图2和图3中，v_ref为主电路输出电压给定；v_of1、v_of2…v_ofn为各模块输出电压采样；H_v1、H_v2…H_vn为各模块输出电压反馈系数；G_vo为各个模块的电压环调节器；

为载波信号；为输出限幅；i_ref1、i_ref2…i_refn为各模块电压环调节器输出；i_f1、i_f2…i_fn为各模块滤波电感电流采样；H_i1、H_i2…H_in为各模块滤波电感电流反馈系数；G_io为各模块的电流环调节器；i_out1、i_out2…i_outn为各模块电流控制器经限幅后的输出；i′_out1、i′_out2…i′_outn为经占空比重新分配后产生的新的调制波幅值；PWM₁、PWM₂…PWM_n为各模块开关管控制信号。

具体实施方式

一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，其中多模块DC-DC变换器的主电路由n个隔离式DC-DC变换器模块通过输入串联、输出串联的形式构成，如图1所示，高频隔离式变换器DC-DC部分、滤波电感、电容及负载，其中输入直流电压为v_in，变换器可以是正激、反激、全桥、半桥、推挽或者推挽正激结构的高频隔离式DC-DC变换器。

对于输入串联输出串联的隔离式DC-DC变换器，为了实现各个模块的功率均分的目的，采用占空比重新分配的控制方式。在图2中，整个变换器***的输出电压给定为v_ref，各个模块的电压环给定电压为

各个模块的输出电压为v_o1、v_o2、…、v_on，滤波电感电流为i_Lf1、i_Lf2…i_Lfn。对于模块1，输出电压v_o1通过电压传感器采样得到v_of1为电压反馈，与电压环给定

比较，经过电压环调节器G_vo输出i_ref1作为模块1电流环的给定，模块1的电流环的反馈i_f1与电流环给定i_ref1进行比较，电流环调节器G_io输出的值经过限幅得到i_out1。对于任一模块j，输出电压v_oj通过电压传感器采样得到v_ofj为电压反馈，与电压环给定

比较，经过电压环调节器G_vo，输出i_refj作为模块j电流环的给定，模块j的电流环的反馈i_fj与电流环给定i_refj进行比较，电流环调节器G_io输出的值经过限幅得到i_outj。将各个模块的电流调节器输出经过限幅后的值进行重新分配，对于模块1，将除了模块1以外的其他所有电流调节器输出经过限幅后的值相加，再除以(n-1)，产生新的调制波i′_out1，即

将调制波与载波进行比较后产生PWM₁控制模块1的开关管通断；对于任意模块j，将除了模块j以外的其他所有电流调节器输出限幅后的值相加，再除以(n-1)，产生新的调制波幅值i′_outj，即将调制波与载波进行比较后产生PWM_j控制模块j的开关管通断。

考虑到n模块中任意模块失效的情况下***仍能正常工作，设计如下的冗余控制方法：假设模块k失效，加在输入端电容C_dk两端的开关S_k和输出滤波电容C_fk两端的开关S′_k闭合，将模块k从***中切除，余下n-1个模块进行输入输出均压控制。正常工作的每个模块输出电压给定由

变为

任一模块j的输出电压v_oj通过电压传感器采样得到v_ofj为电压反馈，与该模块电压给定

进行比较，电压调节器G_vo输出i_refj作为模块j电流环的给定，电流反馈i_fj与电流环给定i_refj做比较，电流调节器输出的值经过限幅后得到i_outj。其他n-2个有效模块通过同样的方法产生i_out1、i_out2…i_out(k-1)、i_out(k+1)…i_outn，将这n-1个电流调节器输出限幅的值进行重新分配。对于模块1，将除了模块1以外的其他所有电流调节器输出经过限幅后的值相加，再除以(n-2)，产生新的调制波i′_out1，即

将调制波i′_out1与载波进行比较后产生PWM₁控制模块1的开关管通断。对于任一模块j，将除了模块j以外的其他所有电流调节器输出经过限幅后的值相加，再除以(n-2)，产生新的调制波i′_outj，即

将调制波i′_outj与载波进行比较后产生PWM_j控制模块j的开关管通断。

当多模块DC-DC变换器的主电路中新投入一个模块加入工作时，即整个***重新由n+1个模块组成。任一模块j的输出电压给定由

变为

仍然采用占空比重新分配的控制方法，各个模块进行占空比重新分配后产生的新的调制波为

将调制波i′_outj与载波进行比较，产生的控制信号PWM_j控制模块j开关管的通断。

整个***通过占空比重新分配环节达到输入、输出电压分别均分的目的，实现各个模块功率均分，即使在任意模块投切的情况下***仍能正常运行。通过占空比分配环节的引入，提高了***在动态响应过程中对电压扰动的抑制能力，从而实现了***的快速调节。本发明运用于隔离式DC-DC变换器，该变换器可以是正激、反激、全桥、半桥、推挽、推挽正激等所有的高频隔离式DC-DC变换器。

以上对本发明所提供的一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，其中多模块DC-DC变换器的主电路由n个相同的隔离式DC-DC变换器模块通过输入端串联、输出端串联的形式构成，其中n为2或者2以上的数字，每个模块的输出回路上串接有电感，所述n个变换器模块为相同的正激、反激、全桥、半桥、推挽或者推挽正激结构的高频隔离式DC-DC变换器，其特征在于方法的步骤为：

1)确定每个模块的输出电压给定；

2)对每个模块的输出电压和输出电感电流进行采样，并记录采样结果，将每个模块的输出电压分别记为v_o1，…，v_oj，…，v_on，将每个模块的输出电压采样分别记为v_of1，…，v_ofj，…，v_ofn，将每个模块输出电感电流分别记为i_Lf1，…，i_Lfj，…，i_Lfn，将每个模块输出电感电流采样分别记为i_f1，…，i_fj，…，i_fn，也即其中模块j的输出电压为v_oj，输出电压采样为v_ofj，输出电感电流为i_Lfj，输出电感电流采样为i_fj，j的范围为1≤j≤n；

3)确定每个模块电流环的给定；

4)确定每个模块电流环的输出值；

5)将通过步骤4)得到的每个模块电流环的输出值i_out1，…，i_outj，…，i_outn进行重新分配；

6)将步骤5)得到的每个模块电流环的输出值进行重新分配后的输出作为调制波与载波进行比较，由比较产生的PWM控制信号控制每个模块中开关管的通断。

2.根据权利要求1所述的一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤1)中确定每个模块的输出电压给定的方法具体为：设定每个模块的输出电压给定为主电路输出电压给定v_ref的

也即

3.根据权利要求1所述的一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤3)中确定模块j电流环的给定的具体方法为：将模块j的输出电压采样结果v_ofj与模块j的输出电压给定

进行比较，并经过电压环调节器G_vo补偿以后输出的i_refj作为模块j电流环的给定；

上述j的范围为1≤j≤n。

4.根据权利要求1所述的一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤4)确定模块j电流环的输出值的具体方法为：将模块j的输出电感电流采样结果i_fj与模块j电流环给定i_refj进行比较，并经电流环调节器G_io补偿且经过限幅后输出的值为i_outj；

上述j的范围为1≤j≤n。

5.根据权利要求1所述的一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤5)对模块j电流环的输出值重新分配的计算方法为：

其中i′_outj为模块j重新分配后的输出；

上述j的范围为1≤j≤n。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，其特征在于：当所述多模块DC-DC变换器的主电路中任一模块k失效并从***中移除后时，整个***由n-1个模块进行工作，其中任一模块j的输出电压给定为且模块j电流环的输出值重新分配后的输出为 ${i^{\′}}_{\mathrm{outj}}=\frac{1}{n-2}(\underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{outi}}+\underset{i=k+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{outi}}-i_{\mathrm{outj}}).$

7.根据权利要求1、2或5所述的一种用于多模块DC-DC变换器的功率均分控制方法，其特征在于：当所述多模块DC-DC变换器的主电路中新投入一个与原DC-DC变换器模块相同的模块加入工作时，整个***由n+1个模块进行工作，其中任一模块j的输出电压给定为

且模块j电流环的输出值重新分配后的输出为 ${i^{\′}}_{\mathrm{outj}}=\frac{1}{n+1}(\underset{i=1}{\overset{n+1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{outi}}-i_{\mathrm{outj}}).$

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