CN103746557A - 一种双向多电平升降压变换器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向多电平升降压变换器及其控制方法,其特征在于包括双向三电平单元A(1)、双向三电平单元B(2)、电感Lb(3)及控制***,双向三电平单元A(1)包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4及分压电容Cb1、Cb2;双向三电平单元B(2)包括开关管T5、开关管T6、开关管T7、开关管T8及分压电容Cb3、Cb4。本发明的双向多电平升降压变换器采用移相加双向两模式控制方法,变换器可实现能量双向流动,在两个方向上都能同时实现升压和降压变换。本发明的双向多电平升降压变换器特别适用于高压大功率、能量双向流动的场合。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域,具体涉及一种适用于高压大功率场合的双向多电平升降压变换器及其控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展,对电能变换装置的要求越来越高,其中变换器的高效率、高功率密度一直是电力电子技术发展的趋势之一。在高压大功率应用场合,受限于开关器件承受的高电压应力,开关频率难以提高,导致***体积大、效率低。如何保证在高压大功率场合下实现电能变换装置的高效率、高功率密度就显得至关重要。
目前很多应用场合,如舰船综合电力***、新能源发电***中的储能电站、大容量UPS供电***、城市轨道交通、高速铁路电气等,都需要电力电子变换器具备能量双向流动,并且同时具备升压和降压功能。因此,有必要研究高压大功率场合下,电力电子变换器双向升降压拓扑结构和控制方法。
目前较为成熟的双向升降压变换器包括双向两电平变换器和双向三电平变换器。目前得到应用的双向两电平升降压直流变换器中,双向Buck-Boost变换器的开关管电压应力为输入电压或输出电压,但在任意一个能量流动方向上不能同时实现升压和降压变换;双向Cuk变换器和双向Sepic-Zeta能在两个方向上同时实现升压和降压变换,但是开关管的电压应力高,不适合高压应用场合;四开关Buck-Boost变换器变换器输入与输出同极性,开关管电压应力为输入电压或输出电压,能在两个方向上同时实现升压和降压变换,并且能在宽输入电压范围内实现高效率电能变换。上述几种变换器各有优劣,但是开关器件承受的电压应力仍然较高。例如舰船综合电力***中,为满足全电力推进,直流母线电压高达3000V~6000V,高速铁路电气中直流母线电压为DC2160V~2600V,城市轨道交通的电源电压通常采用DC750V或DC1500V,在这些应用场合,即使是采用四开关Buck-Boost变换器,开关器件承受的电压应力还是很高,仍然限制了开关器件的选择和频率的提升。
三电平直流变换器具有开关管电压应力低,输入和输出滤波器体积小等优点,适用于高输入或输出电压的功率变换场合。具有双向升降压功能的三电平直流变换器,并且得到应用的主要有:双向三电平Buck变换器和双向三电平Boost变换器。双向三电平Buck变换器的开关管电压应力为输入电压的一半,双向三电平Boost变换器的开关管电压应力为输出电压的一半,这两种拓扑很适合高压场合,但是双向三电平Buck变换器和双向三电平Boost变换器只能在一个方向上实现升压或降压的变换。
此外,具有双向升降压功能的变换拓扑还有带高频隔离变压器的DC/DC变换器,主要包括双向正激变换器、双向反激变换器、双端有源桥变换器等。其中双向正激变换器、双向反激变换器主要应用在中小功率场合,而双端有源桥变换器主要适用于中等功率场合,如果需要在大功率场合应用,需要多个变换器并联工作,工程实现困难。
发明内容
本发明的目的是针对高压大功率,并且需要能量双向流动的场合,提出适用的双向多电平变换器及相应的控制方法。
本发明具体的技术方案为一种双向多电平升降压变换器,其特征在于包括双向三电平单元A、双向三电平单元B、电感Lb及控制***,双向三电平单元A包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4及分压电容Cb1、Cb2;双向三电平单元B包括开关管T5、开关管T6、开关管T7、开关管T8及分压电容Cb3、Cb4,
所述的电容Cb1的正接线端子接电源V1的正极和开关管T1的集电极,电容Cb1的负接线端子接电容Cb2的正接线端子、开关管T3的发射级和开关管T4的集电极;电容Cb2的负接线端子接电源V1的负极和开关管T2的发射极;开关管T1的发射极接开关管T3的集电极和电感Lb的一端;开关管T2的集电极接开关管T4的发射极、开关管T6的发射极和开关管T8的集电极;电感Lb的另一端接开关管T7的发射极和开关管T5的集电极;开关管T5的发射极接开关管T6的集电极、电容Cb3的负接线端子和电容Cb4的正接线端子;开关管T7的集电极接电容Cb3的正接线端子和电源V2的正极;开关管T8的集电极接开关管T6的发射极、开关管T4的发射极和开关管T2的集电极,开关管T8的发射极接电容Cb4的负接线端子和电源V2的负极。
更进一步地,能量正向流动时,由电源V1流向电源V2,可以控制电压V2或者电感Lb的电流,当电压V1高于V2时,变换器工作在正向降压模式,当电压V1低于V2时,变换器工作在正向升压模式;能量反向流动时,由电源V2流向电源V1,可以控制电压V1或者电感Lb的电流,当电压V2高于V1时,变换器工作在反向降压模式,当电压V2低于V1时,变换器工作在反向升压模式。
更进一步地,所述的控制***包括电源V1电压值的采样、电源V2电压值的采样、电感Lb的电流采样、电压调节器A、电压调节器B、电压调节器输出限幅单元、能量流向逻辑判断单元、电流调节器、双向两模式调制单元、双向三电平单元A的PWM调制器、双向三电平单元B的PWM调制器、开关管T1~T4的驱动、开关管T5~T8的驱动,定义能量正向流动时,能量由电源V1流向电源V2,电感电流iLb>0;能量反向流动时,能量由电源V1流向电源V2,电感电流iLb<0。
本发明的一种双向多电平升降压变换器的控制方法,能量正向流动时,能量流向判断逻辑单元中S1闭合,S2断开,双向两模式调制单元中k1=1,k2=0;能量反向流动时,S1断开,S2闭合,k1=0,k2=1;检测电源V1和V2的电压值得到V1_samp和V2_samp,分别与指令值V1_ref和V2_ref作差得到电压环误差信号ve_1和ve_2,ve_2和ve_1分别经过电压调节器A和电压调节器B后得到调节器输出信号ve_2R和ve_1R,ve_1R和ve_2R经过能量流向逻辑判断单元的判断选择后得到电流环输入信号iLb_in,该信号再经过电压调节器输出限幅单元后得到电流内环的指令信号iLb_ref,iLb_ref与检测的电感电流值iLb_samp作差得到电流环的误差信号ie,ie经过电流调节器输出后得到调制信号vM,vM再经过双向两模式调制单元修正后后分别得到双向三电平单元A和双向三电平单元B的调制信号vM_1和vM_2,vM_1分别与载波vtri1和载波vtri2交截,vM_2分别与载波vtri5和载波vtri6交截,再分别通过双向三电平单元A的PWM调制器和双向三电平单元B的PWM调制器得到双向三电平单元A的开关管驱动信号和双向三电平单元B的开关管驱动信号,其中S1和S2分别为能量正向流动和反向流动时的逻辑开关;k1、k2为调制波叠加分量的系数;V1_samp、V2_samp、iLb_samp分别为电源V1电压、电源V2电压和电感电流的采样值;V1_ref和V2_ref分别表示V1和V2的指令值;vM_1和vM_2分别表示三电平单元A和双向三电平单元B的调制信号。
更进一步地,所述的能量流向逻辑判断单元包括逻辑开关S1和逻辑开关S2,能量正向流动时,电感电流iLb>0,S1闭合,S2断开,电压调节器A参与控制,电压调节器B不参与控制;能量反向流动时,电感电流iLb<0,S1断开,S2闭合,电压调节器A不参与控制,电压调节器B参与控制。
更进一步地,所述的双向两模式调制单元的作用如下:vM_1=vM+k1Vtri,vM_2=vM—k2Vtri;能量正向流动时,k1=1,k2=0,vM_1=vM_2+Vtri;能量反向流动时k1=0,k2=1,vM_2=vM_1—Vtri,其中Vtri为载波的峰峰值。
更进一步地,调制信号vM经过双向两模式调制单元后得到调制信号vM_1和vM_2;载波vtri1和载波vtri2之间移相180°,载波vtri5和载波vtri6之间移相180°;调制信号vM_1与载波vtri1交截,得到占空比信号d13,d13经过驱动放大后得到开关管T1的驱动信号,将占空比信号d13取反,再经过驱动放大后得到开关管T3的驱动信号;调制信号vM_1与载波vtri2交截,得到占空比信号d24,d24经过驱动放大后得到开关管T2的驱动信号;将占空比信号d24取反,再经过驱动放大后得到开关管T4的驱动信号;按照上述调制策略,保证了开关管T1和T2驱动信号移相180°,开关管T3和T4驱动信号移相180°,T1、T3互补导通,T2、T4互补导通;调制信号vM_2与载波vtri5交截,得到占空比信号d57,d57经过驱动放大后得到开关管T5的驱动信号,将占空比信号d57取反,再经过驱动放大后得到开关管T7的驱动信号;调制信号vM_2与载波vtri6交截,得到占空比信号d68,d68经过驱动放大后得到开关管T6的驱动信号;将占空比信号d68取反,再经过驱动放大后得到开关管T8的驱动信号;按照上述调制策略,保证了开关管T5和T6驱动信号移相180°,开关管T7和T8驱动信号移相180°,T5、T7互补导通,T6、T8互补导通。
更进一步地,采用移相加双向两模式控制策略,双向三电平单元A的调制波vM_1和双向三电平单元B的调制波vM_2之间满足:能量正向流动时,k1=1,k2=0,vM_1=vM_2+Vtri;当V1高于V2时,VL≤vM_1≤VH,vM_2恒小于VL,其中VL为载波vtri的最小值,VH为载波vtri的最大值,开关管T5和T6一直关断,开关管T7和T8一直导通,此时通过调控双向三电平单元A中开关管T1~T4的开断来控制输出电压,变换器工作在降压模式;当V1低于V2时,VL≤vM_2≤VH,vM_1恒大于VH,开关管T1和T2一直导通,开关管T3和T4一直关断,此时通过调控双向三电平单元B中开关管T5~T8的开断来控制输出电压,变换器工作在升压模式;能量反向流动时,k1=0,k2=1,vM_2=vM_1—Vtri;当V2高于V1时,VL≤vM_2≤VH,vM_1恒大于VH,开关管T1和T2一直导通,开关管T3和T4一直关断,此时通过调控双向三电平单元B中开关管T5~T8的开断来控制输出电压,变换器工作在降压模式;当V2低于V1时,VL≤vM_1≤VH,vM_2恒小于VL,开关管T5和T6一直关断,开关管T7和T8一直导通,此时通过调控双向三电平单元A中开关管T1~T4的开断来控制输出电压,变换器工作在升压模式;所述的双向两模式控制策略保证变换器能实现双向升降变换,并且任意时刻、任意能量流动方向上,当输入电压或输出电压发生变化时,变换器能在升压和降压两个模式之间自动平滑切换。
更进一步地,双向三电平单元A中开关管T1、T3互补导通,T2、T4互补导通,T1和T2驱动信号移相180°,T3和T4驱动信号移相180°;双向三电平单元B中开关管T5、T7互补导通,T6、T8互补导通,T5和T6驱动信号移相180°,T7和T8驱动信号移相180°。
本发明的优点在于:
1)采用多电平结构,双向三电平单元A中开关管电压应力减小为电源电压V1的一半,双向三电平单元B中开关管电压应力减小为电源电压V2的一半,可将小容量的开关管用于大功率场合,开关频率可以提高,有利于提高变换器的功率密度;
2)采用移相加双向两模式控制方法,双向两模式控制使得所述的变换器两个方向上都能实现在Buck模式和Boost模式之间的自动平滑切换;采用移相控制使得输入电流、电感电流、输出电压、输出电流的脉动分量减小,脉动频率提高一倍,滤波器的体积可以大幅度减小;
3)本发明能够在高压大功率场合下实现能量双向流动,并且每一个方向上都能同时实现升压和降压功能;
4)本发明能够在舰船综合电力***中应用,在舰船或潜艇蓄电池充电装置中应用,也可以在城市轨道交通、高速铁路电气、大容量UPS供电***、新能源发电***中储能电站、直流电机调速等民用市场上应用。
附图说明
图1本发明的双向多电平升降压变换器主电路结构图
图2本发明的双向多电平升降压变换器移相加双向两模式控制框图
图3本发明的双向多电平升降压变换器开关管驱动波形示意图(移相加双向两模式控制)
图4A本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向降压模式且占空比大于或等于0.5时主要波形
图4B本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向降压模式且占空比小于0.5时主要波形
图5A本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向降压模式且占空比大于或等于0.5时模态一的等效电路图
图5B本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向降压模式且占空比大于或等于0.5时模态二的等效电路图
图5C本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向降压模式且占空比大于或等于0.5时模态三的等效电路图
图5D本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向降压模式且占空比大于或等于0.5时模态四的等效电路图
图6A本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向降压模式且占空比小于0.5时模态一的等效电路图
图6B本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向降压模式且占空比小于0.5时模态二的等效电路图
图6C本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向降压模式且占空比小于0.5时模态三的等效电路图
图6D本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向降压模式且占空比小于0.5时模态四的等效电路图
图7A本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向升压模式且占空比大于或等于0.5时主要波形
图7B本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向升压模式且占空比小于0.5时主要波形
图8A本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向升压模式且占空比大于或等于0.5时模态一的等效电路图
图8B本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向升压模式且占空比大于或等于0.5时模态二的等效电路图
图8C本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向升压模式且占空比大于或等于0.5时模态三的等效电路图
图8D本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向升压模式且占空比大于或等于0.5时模态四的等效电路图
图9A本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向升压模式且占空比小于0.5时模态一的等效电路图
图9B本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向升压模式且占空比小于0.5时模态二的等效电路图
图9C本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向升压模式且占空比小于0.5时模态三的等效电路图
图9D本发明的双向多电平升降压变换器工作在正向升压模式且占空比小于0.5时模态四的等效电路图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明。
本发明所述的双向多电平升降压变换器的主电路拓扑结构如图1所示,采用的控制方法如图2所示。能量正向流动时,由电源V1流向电源V2,可以控制电压V2或者电感电流,当电压V1高于V2时,变换器工作在正向降压模式,当电压V1低于V2时,变换器工作在正向升压模式;能量反向流动时,由电源V2流向电源V1,可以控制电压V1或者电感电流,当电压V2高于V1时,变换器工作在反向降压模式,当电压V2低于V1时,变换器工作在反向升压模式。
采用移相加双向两模式控制策略,双向三电平单元A的调制波vM_1和双向三电平单元B的调制波vM_2之间满足:能量正向流动时,k1=1,k2=0,vM_1=vM_2+Vtri;当V1高于V2时,VL≤vM_1≤VH,vM_2恒小于VL,其中VL为载波vtri的最小值,VH为载波vtri的最大值,开关管T5和T6一直关断,开关管T7和T8一直导通,此时通过调控双向三电平单元A中开关管T1~T4的开断来控制输出电压,变换器工作在降压模式;当V1低于V2时,VL≤vM_2≤VH,vM_1恒大于VH,开关管T1和T2一直导通,开关管T3和T4一直关断,此时通过调控双向三电平单元B中开关管T5~T8的开断来控制输出电压,变换器工作在升压模式;能量反向流动时,k1=0,k2=1,vM_2=vM_1—Vtri;当V2高于V1时,VL≤vM_2≤VH,vM_1恒大于VH,开关管T1和T2一直导通,开关管T3和T4一直关断,此时通过调控双向三电平单元B中开关管T5~T8的开断来控制输出电压,变换器工作在降压模式;当V2低于V1时,VL≤vM_1≤VH,vM_2恒小于VL,开关管T5和T6一直关断,开关管T7和T8一直导通,此时通过调控双向三电平单元A中开关管T1~T4的开断来控制输出电压,变换器工作在升压模式。
更进一步地,双向三电平单元A中开关管T1、T3互补导通,T2、T4互补导通,T1和T2驱动信号移相180°,T3和T4驱动信号移相180°;双向三电平单元B中开关管T5、T7互补导通,T6、T8互补导通,T5和T6驱动信号移相180°,T7和T8驱动信号移相180°。
本发明所述的双向多电平升降压变换器左右两部分,即双向三电平单元A和双向三电平单元B完全对称,能量正向流动时对双向三电平单元A的控制方法与能量反向流动时对双向三电平单元B的控制方法完全一致;能量正向流动时对双向三电平单元B的控制方式与能量反向流动时双向三电平单元A的控制方式完全一致,如图3所示。因此,下面主要阐述能量正向流动时,变换器的工作模态,能量反向流动时,变换器的工作模态与正向流动时完全类似。分压电容Cd1~Cd4容量较大,Cd1和Cd2上电压为V1/2;Cd3和Cd4上电压为V2/2。
1)正向降压模式且占空比大于或等于0.5
占空比大于0.5,即是图4A中Ton/Ts≥0.5,其中Ton为开关管T1的导通时间,Ts为开关周期。
正向降压模式下,开关管T5和T6一直关断,T7和T8一直导通。T1和T2驱动信号移相180°,T3和T4驱动信号移相180°,T1和T3驱动信号互补,T2和T4驱动信号互补,如图4A所示。
模态3,[t2~t3]:t2时刻开通T2,T1和T2同时导通,T3和T4关断,开关管T3和T4的电压应力为V1/2,电感电流iLb线性上升,该模态与[t0~t1]模态类似,如图5C所示;
模态4,[t3~t4]:t3时刻关断T1,T2和T3导通,T1和T4关断,T1和T4的电压应力为V1/2,电感电流iLb线性下降,该模态与[t0~t1]模态类似,如图5D所示;
2)正向降压模式且占空比小于0.5
占空比大于0.5,即是图4B中Ton/Ts≤0.5。正向降压模式时,开关管T5和T6一直关断,T7和T8一直导通。T1和T2驱动信号移相180°,T3和T4驱动信号移相180°,T1和T3驱动信号互补,T2和T4驱动信号互补,如图4B所示。
模态2,[t1~t2]:t1时刻关断T1,T1和T2关断,T3和T4导通,电感电流线iLb性下降,如图6B所示;
模态3,[t2~t3]:t2时刻开通T2,T2和T3导通,T1和T4关断,T1和T4的电压应力为V1/2,电感电流线性上升,该模态与[t0~t1]模态类似,如图6C所示;
模态4,[t3~t4]:t3时刻关断T2,T1和T2关断,T3和T4开通,T1和T2的电压应力为V1/2,电感电流线性下降,该模态与[t1~t2]模态类似,如图6D所示;
由图5A~5D及图6A~6D可以看出,正向降压模式下开关管的电压应力为输入电压V1的一半,由图4A和图4B可以得出,电感电流和输出电压的脉动频率为开关频率的两倍。
3)正向升压模式且占空比大于或等于0.5
正向升压模式下,开关管T1和T2一直导通,T3和T4一直关断。T5和T6驱动信号移相180°,T7和T8驱动信号移相180°,T5和T7驱动信号互补,T6和T8驱动信号互补,如图7A所示。
模态3,[t2~t3]:t2时刻开通T6,T5和T6同时导通,T7和T8关断,T7和T8的电压应力为V2/2,电感电流线性上升,该模态与[t0~t1]模态类似,如图8C所示;
模态4,[t3~t4]:t3时刻关断T5,T5和T8关断,T6和T7开通,电感电流线性下降,该模态与[t1~t2]模态类似,如图8D所示;
4)正向升压模式且占空比小于0.5
正向升压模式下,开关管T1和T2一直导通,T3和T4一直关断。T5和T6驱动信号移相180°,T7和T8驱动信号移相180°,T5和T7驱动信号互补,T6和T8驱动信号互补,如图7B所示。
模态3,[t2~t3]:t2时刻开通T6,T6和T7导通,T5和T8关断,T5和T8的电压应力为V2/2,电感电流线性上升,该模态与[t0~t1]模态类似,如图9C所示;
模态4,[t3~t4]:t3时刻关断T6,T5和T6同时关断,T7和T8导通,电感电流线性下降,该模态与[t1~t2]模态类似,如图9D所示;
由图8A~8D和图9A~9D可以看出,正向Boost模式下开关管的电压应力为输出电压V2的一半,由图7A和图7B可以得出,电感电流和输出电压的脉动频率为开关频率的两倍。
以上以具体实施例的方式描述了本发明的电路拓扑结构、工作原理和控制方法,在不脱离本发明的精神和范围的前提下,本领域的技术人员可根据需求进行适当变化,这些变化都归入所要求保护的范围内。
Claims (9)
1.一种双向多电平升降压变换器,其特征在于包括双向三电平单元A(1)、双向三电平单元B(2)、电感Lb(3)及控制***,双向三电平单元A(1)包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4及分压电容Cb1、Cb2;双向三电平单元B(2)包括开关管T5、开关管T6、开关管T7、开关管T8及分压电容Cb3、Cb4,
所述的电容Cb1的正接线端子接电源V1的正极和开关管T1的集电极,电容Cb1的负接线端子接电容Cb2的正接线端子、开关管T3的发射级和开关管T4的集电极;电容Cb2的负接线端子接电源V1的负极和开关管T2的发射极;开关管T1的发射极接开关管T3的集电极和电感Lb(3)的一端;开关管T2的集电极接开关管T4的发射极、开关管T6的发射极和开关管T8的集电极;电感Lb(3)的另一端接开关管T7的发射极和开关管T5的集电极;开关管T5的发射极接开关管T6的集电极、电容Cb3的负接线端子和电容Cb4的正接线端子;开关管T7的集电极接电容Cb3的正接线端子和电源V2的正极;开关管T8的集电极接开关管T6的发射极、开关管T4的发射极和开关管T2的集电极,开关管T8的发射极接电容Cb4的负接线端子和电源V2的负极。
2.如权利要求1所述的一种双向多电平升降压变换器,其特征在于能量正向流动时,由电源V1流向电源V2,可以控制电压V2或者电感Lb(3),当电压V1高于V2时,变换器工作在正向降压模式,当电压V1低于V2时,变换器工作在正向升压模式;能量反向流动时,由电源V2流向电源V1,可以控制电压V1或者电感Lb(3),当电压V2高于V1时,变换器工作在反向降压模式,当电压V2低于V1时,变换器工作在反向升压模式。
3.如权利要求1所述的一种双向多电平升降压变换器,其特征在于所述的控制***包括电源V1电压值的采样(4)、电源V2电压值的采样(5)、电感Lb的电流采样(6)、电压调节器A(7)、电压调节器B(8)、电压调节器输出限幅单元(9)、能量流向逻辑判断单元(10)、电流调节器(11)、双向两模式调制单元(12)、双向三电平单元A(1)的PWM调制器(13)、双向三电平单元B(2)的PWM调制器(14)、开关管T1~T4的驱动(15)、开关管T5~T8的驱动(16),定义能量正向流动时,能量由电源V1流向电源V2,电感电流iLb>0;能量反向流动时,能量由电源V2流向电源V1,电感电流iLb<0。
4.如权利要求3所述的一种双向多电平升降压变换器的控制方法,其特征在于,
能量正向流动时,能量流向判断逻辑单元(10)中S1闭合,S2断开,双向两模式调制单元(12)中k1=1,k2=0;能量反向流动时,S1断开,S2闭合,k1=0,k2=1;检测电源V1和V2的电压值得到V1_samp和V2_samp,分别与指令值V1_ref和V2_ref作差得到电压环误差信号ve_1和ve_2,ve_2和ve_1分别经过电压调节器A(7)和电压调节器B(8)后得到调节器输出信号ve_2R和ve_1R,ve_1R和ve_2R经过能量流向逻辑判断单元(10)的判断选择后得到电流环输入信号iLb_in,该信号再经过电压调节器输出限幅单元(9)后得到电流内环的指令信号iLb_ref,iLb_ref与检测的电感电流值iLb_samp作差得到电流环的误差信号ie,ie经过电流调节器(11)输出后得到调制信号vM,vM再经过双向两模式调制单元(12)修正后后分别得到双向三电平单元A(1)和双向三电平单元B(2)的调制信号vM_1和vM_2,vM_1分别与载波vtri1和载波vtri2交截,vM_2分别与载波vtri5和载波vtri6交截,再分别通过双向三电平单元A(1)的PWM调制器(13)和双向三电平单元B(2)的PWM调制器(14)得到双向三电平单元A(1)的开关管驱动信号和双向三电平单元B(2)的开关管驱动信号,其中S1和S2分别为能量正向流动和反向流动时的逻辑开关;k1、k2为调制波叠加分量的系数;V1_samp、V2_samp、iLb_samp分别为电源V1电压、电源V2电压和电感电流的采样值;V1_ref和V2_ref分别表示V1和V2的指令值;vM_1和vM_2分别表示三电平单元A(1)和双向三电平单元B(2)的调制信号。
5.如权利要求4所述的一种双向多电平升降压变换器的控制方法,其特征在于所述的能量流向逻辑判断单元(10)包括逻辑开关S1和逻辑开关S2,能量正向流动时,电感电流iLb>0,S1闭合,S2断开,电压调节器A(7)参与控制,电压调节器B(8)不参与控制;能量反向流动时,电感电流iLb<0,S1断开,S2闭合,电压调节器A(7)不参与控制,电压调节器B(8)参与控制。
6.如权利要求4所述的一种双向多电平升降压变换器的控制方法,其特征在于所述的双向两模式调制单元(12)的作用如下:vM_1=vM+k1Vtri,vM_2=vM—k2Vtri;能量正向流动时,k1=1,k2=0,vM_1=vM_2+Vtri;能量反向流动时k1=0,k2=1,vM_2=vM_1—Vtri,其中Vtri为载波的峰峰值。
7.如权利要求4所述的一种双向多电平升降压变换器的控制方法,其特征在于,调制信号vM经过双向两模式调制单元(12)后得到调制信号vM_1和vM_2;载波vtri1和载波vtri2之间移相180°,载波vtri5和载波vtri6之间移相180°;调制信号vM_1与载波vtri1交截,得到占空比信号d13,d13经过驱动放大后得到开关管T1的驱动信号,将占空比信号d13取反,再经过驱动放大后得到开关管T3的驱动信号;调制信号vM_1与载波vtri2交截,得到占空比信号d24,d24经过驱动放大后得到开关管T2的驱动信号;将占空比信号d24取反,再经过驱动放大后得到开关管T4的驱动信号;按照上述调制策略,保证了开关管T1和T2驱动信号移相180°,开关管T3和T4驱动信号移相180°,T1、T3互补导通,T2、T4互补导通;调制信号vM_2与载波vtri5交截,得到占空比信号d57,d57经过驱动放大后得到开关管T5的驱动信号,将占空比信号d57取反,再经过驱动放大后得到开关管T7的驱动信号;调制信号vM_2与载波vtri6交截,得到占空比信号d68,d68经过驱动放大后得到开关管T6的驱动信号;将占空比信号d68取反,再经过驱动放大后得到开关管T8的驱动信号;按照上述调制策略,保证了开关管T5和T6驱动信号移相180°,开关管T7和T8驱动信号移相180°,T5、T7互补导通,T6、T8互补导通。
8.如权利要求4所述的一种双向多电平升降压变换器的控制方法,其特征在于采用移相加双向两模式控制策略,双向三电平单元A(1)的调制波vM_1和双向三电平单元B(2)的调制波vM_2之间满足:能量正向流动时,k1=1,k2=0,vM_1=vM_2+Vtri;当V1高于V2时,VL≤vM_1≤VH,vM_2恒小于VL,其中VL为载波vtri的最小值,VH为载波vtri的最大值,开关管T5和T6一直关断,开关管T7和T8一直导通,此时通过调控双向三电平单元A(1)中开关管T1~T4的开断来控制输出电压,变换器工作在降压模式;当V1低于V2时,VL≤vM_2≤VH,vM_1恒大于VH,开关管T1和T2一直导通,开关管T3和T4一直关断,此时通过调控双向三电平单元B(2)中开关管T5~T8的开断来控制输出电压,变换器工作在升压模式;能量反向流动时,k1=0,k2=1,vM_2=vM_1—Vtri;当V2高于V1时,VL≤vM_2≤VH,vM_1恒大于VH,开关管T1和T2一直导通,开关管T3和T4一直关断,此时通过调控双向三电平单元B(2)中开关管T5~T8的开断来控制输出电压,变换器工作在降压模式;当V2低于V1时,VL≤vM_1≤VH,vM_2恒小于VL,开关管T5和T6一直关断,开关管T7和T8一直导通,此时通过调控双向三电平单元A(1)中开关管T1~T4的开断来控制输出电压,变换器工作在升压模式;所述的双向两模式控制策略保证变换器能实现双向升降变换,并且任意时刻、任意能量流动方向上,当输入电压或输出电压发生变化时,变换器能在升压和降压两个模式之间自动平滑切换。
9.如权利要求8所述的一种双向多电平升降压变换器的控制方法,其特征在于,双向三电平单元A(1)中开关管T1、T3互补导通,T2、T4互补导通,T1和T2驱动信号移相180°,T3和T4驱动信号移相180°;双向三电平单元B(2)中开关管T5、T7互补导通,T6、T8互补导通,T5和T6驱动信号移相180°,T7和T8驱动信号移相180°。
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant |