CN105553274A - 一种双向dc-dc变换器电流临界连续统一控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，涉及双有源桥双向DC-DC变换器的电流临界连续统一控制方法，属于电力电子领域。本发明公开的控制方法通过控制变压器一次侧和二次侧的电压以及其两者之间的相位差，使变换器工作在变压器电流临界连续，减小变换器的环流与导通损耗。另外，通过边界条件以及控制条件能够使变压器电流处于临界连续的模式，使得电路的无功损耗减小，开关管电流应力和变换器的环流损耗减小，从而能够提高变换器的效率和可靠性。本发明还能极大降低控制单元的复杂程度，实现实时控制。本发明可应用于高频隔离开关电源方向。

Description

一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法
技术领域
本发明涉及一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，尤其涉及一种双有源桥双向DC-DC变换器的电流临界连续统一控制方法，属于电力电子领域的高频隔离开关电源方向。
背景技术
随着电力电子技术的发展，双向、高频隔离、高效率的变换器的需求逐步增加，尤其是在包含储能单元的固态变压器，高压直流输电，微电网等各种供电***场合。这些***由于需要对储能单元进行充放电的能量控制，要求变换器具有双向可控功率流的特点。另外，高的传递效率能够提高整个变换装置的功率密度，增加可靠性，节约成本，因此也成为另一个重要的指标。对于前述的应用场合，双有源桥双向DC-DC变换器因为其具有广泛的应用前景而被大量研究。
常用类型的一种双向DC-DC变换器的拓扑结构图如图1所示，该拓扑结构为对称结构，变压器一次侧和二次侧都是由开关管组成的全桥电路，所述的两个全桥电路由一个高频变压器连接。此种类型的变换器包含三个控制变量，包括一次侧全桥电路的两个桥臂中心点之间的电压vAB，二次侧全桥电路两个桥臂中心点之间的电压vCD，以及vAB和vCD之间的移向角。通过控制一次侧开关管的驱动信号可以调节电压vAB的占空比大小；通过控制二次侧开关管的驱动信号可以调节电压vCD的占空比大小；通过调节一次侧与二次侧开关管信号之间的相位差可以实现对vAB和vCD之间的移向角的控制。目前针对双有源桥双向DC-DC变换器控制方法可以分为两大类：a)传统的单移向控制策略，b)移向加PWM控制策略。其中移向加PWM控制策略又可以两个控制自由度的控制策略和三个控制自由度的控制策略。
2007年在IEEETransactiononpowerelectronics【电力电子期刊】上发表的‘AbidirectionalDC-DCconverterforanenergystoragesystemwithgalvanicisolation’一文使用的是传统的单移向控制策略。这种控制策略能够实现功率的双向流控制。但是，当储能侧的电压波动时，其的软开关条件将不会满足，而且环流损耗与导通损耗会增加。2012年在IEEETransactiononpowerelectronics【电力电子期刊】上发表的“Extended-phase-shiftcontrolofisolatedbidirectionaldc-dcconverterforpowerdistributioninmicrogrid”一文不仅仅控制两个有源桥之间的移向角，还控制各个有源桥的两个桥臂之间的移向角。这种方法归纳为含有两个自由度的移向加PWM控制方法。该方法能有效减小无功损耗和环流损耗，但是引入另外一个控制自由度，增加了控制的复杂程度，导致这种控制方法难以实时计算。2012年在IEEETransactiononpowerelectronics【电力电子期刊】上发表的“Stabilityanalysisofisolatedbidirectionaldualactivefull-bridgedc-dcconverterwithtriplephaseshiftcontrol”属于包含三个控制自由度的移向加PWM控制。这种方法能进一步减小变换器的无功损耗与环流损耗，使变换器工作在全范围输入的最优状态。然而，控制单元包含三个自由度，使控制单元很难统一和实时计算。而且，其中的变换器工作区域的切换增加了控制的复杂程度。
发明内容
为克服前述的常用类型的双有源桥双向DC-DC变换器控制器设计复杂、减小无功损耗与导通损耗等相关问题，本发明公开的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，要解决的技术问题是针对常用类型的双向DC-DC变换器的拓扑结构提供一种双有源桥双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制的方法，减小电路的无功损耗，减小开关管电流应力和变换器的环流损耗，提高变换器的效率和可靠性；同时能极大降低控制单元的复杂程度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
常用类型的双有源桥双向DC-DC变换器包含三个控制变量，包括一次侧全桥电路的两个桥臂中心点之间的电压vAB，二次侧全桥电路两个桥臂中心点之间的电压vCD，以及变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角。本发明公开的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，通过将二次侧的输出电压的给定vref与实际二次侧的输出采样值V2的差值作为电压控制器的输入，控制器的输出用于调节变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角控制信号根据移向角控制信号边界条件以及变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的控制条件能够得到用于控制变压器一次侧电压vAB的控制信号d1和控制变压器二次侧电压vCD的控制信号d2。通过所述的边界条件以及控制条件能够使变压器电流处于临界连续的模式。根据移向角控制信号控制信号d1和控制信号d2，驱动产生单元产生相对应的开关管驱动控制信号，从而控制变换器的一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD以及变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角Φ。所述的边界条件以及控制条件能够使变压器电流处于临界连续的模式，使变换器在同等输出功率的情况下具有较大的占空比以及较小的移向角。使得电路的无功损耗减小，开关管电流应力和变换器的环流损耗减小，从而能够提高变换器的效率和可靠性。
所述的控制器仅通过一个电压控制器即可实现对所述的双向DC-DC变换器的控制，能够降低控制单元的复杂程度。所述的电压控制器优选比例积分PI控制器。
所述的边界条件根据移向角控制信号大小可分为边界条件(a)和边界条件(b)两种：
当移向角控制信号大于等于零时，则利用边界条件(a)如公式(1)所示，
当移向角控制信号小于零时，则利用边界条件(b)如公式(2)所示，
其中V1，V2分别为对变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电压；n为变压器一次侧对二次侧的变比1：n。
所述的控制条件如公式(3)所示。
nV1d1＝V2d2(3)
所述的变换器为双向拓扑结构，一次侧与二次侧可以互换。
本发明公开的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，包括如下步骤，
步骤一、确定变换器二次侧直流输出电压给定Vref；
步骤二、对变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电压进行采样，分别记为V1和V2。计算输出电压给定值Vref与V2的差值，所述的差值作为输出电压调节器的输入。所述电压调节器的输出作为变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角控制信号
步骤三、根据移向角控制信号边界条件和变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的控制条件能够得到用于控制变压器一次侧电压vAB的控制信号d1和变压器二次侧电压vCD的控制信号d2。通过所述的边界条件以及控制条件能够使变压器电流处于临界连续的模式。
步骤3.1、给出用于求解控制信号d1或控制信号d2的边界条件。
当移向角控制信号大于等于零时，则利用边界条件(a)如公式(1)所示，得到控制信号d1。
当移向角控制信号小于零时，则利用边界条件(b)如公式(2)所示，得到控制信号d2。
其中V1，V2分别为变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电压采样值，n为变压器一次侧对二次侧的变比1：n。
步骤3.2、给出控制条件如公式(3)所示。
nV1d1＝V2d2(3)
当移向角控制信号大于等于零时，根据步骤3.1得到的控制信号d1的值，利用公式(3)求解d2；当移向角控制信号小于零时,根据步骤3.1得到的控制信号d2的值，利用公式(3)求解d1；
步骤四、根据移向角控制信号边界条件以及变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的控制条件能够得到用于控制变压器一次侧电压vAB的控制信号d1和变压器二次侧电压vCD的控制信号d2。通过驱动产生单元，产生相对应的开关管的驱动信号，从而控制变换器的一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD以及变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角Φ，使变换器在同等输出功率的情况下具有较大的占空比以及较小的移向角。使得电路的无功损耗减小，开关管电流应力和变换器的环流损耗减小，从而能够提高变换器的效率和可靠性。
步骤四所述的产生开关管的驱动信号根据具体双向DC-DC变换器拓扑而定。
步骤四所述的产生开关管的驱动信号，针对常用的双向双有源桥DC-DC变换器，其包括八个开关管驱动控制信号，分别记为：S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8。所述的八个开关管驱动信号的特征在于：所有的驱动信号都是50％的方波信号；S1与S2互补、S3与S4互补、S5与S6互补、S7与S8互补；S1超前S3的时间由d1控制，S5超前S7的时间由d2控制，S1和S5之间的相位差由控制。
所述的变换器为双向拓扑结构，一次侧与二次侧可以互换。
有益效果：
1、本发明公开的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，通过控制一次侧开关管的驱动信号可以调节一次侧全桥电路的两个桥臂中心点之间的电压vAB；通过控制二次侧开关管的驱动信号可以调节二次侧全桥电路两个桥臂中心点之间的电压vCD；通过调节一次侧与二次侧开关管信号之间的相位差可以实现对vAB和vCD之间的移向角的控制。通过前述控制，使得变换器工作时变压器电流为零的区间长度十分短暂，处于临界连续，降低环流损耗与导通损耗。
2、通过本发明公开的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，能仅通过一个控制器实现调节一次侧全桥电路的两个桥臂中心点之间的电压vAB、二次侧全桥电路两个桥臂中心点之间的电压vCD以及vAB和vCD之间的移向角的统一控制。所述方法不需要将控制数据预先存储在查表中，能够实现实时控制，控制环路简单，可靠。
3、通过本发明公开的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，使得电路的无功损耗减小，开关管电流应力和变换器的环流损耗减小，从而能够提高变换器的效率和可靠性。
附图说明
图1为本实施例的双有源桥双向DC-DC变换器电路结构示意图；
图2为本实施例的电流临界连续的统一控制方法框图；
图3为本实例主要波形图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
以对常用类型的一种双向DC-DC变换器控制为例说明本发明公开的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法的可实现性和有益效果。
常用类型的双有源桥双向DC-DC变换器如附图1所示。如图所示，变换器为双向双有源桥DC-DC变换器，一次侧为一个有源全桥电路，二次侧也是一个有源全桥电路。A，B点分别为一次侧有源桥的两个桥臂各自的中点；C,D点分别为二次侧有源桥的两桥臂各自的中点；vAB为A点与B点之间的电压差；vCD为C点和D点之间的电压差。ip和is为变换器的变压器一次侧以及二次侧的电流。V1为一次侧的直流电压；V2为二次侧的直流电压。
本实施例所采用的控制框图如图2所示。结合图2，本实施例公开的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，包括如下步骤，
步骤一、确定变换器二次侧直流输出电压给定Vref；
步骤二、对变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电压进行采样，分别记为V1和V2。计算输出电压给定值Vref与V2的差值，所述的差值作为输出电压调节器的输入。所述电压控制器的输出作为变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角控制信号其中，控制器的输出需要正负限幅。
步骤三、根据移向角控制信号边界条件和变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的控制条件能够得到用于控制变压器一次侧电压vAB的控制信号d1和变压器二次侧电压vCD的控制信号d2。通过所述的边界条件以及控制条件能够使变压器电流处于临界连续的模式。
步骤3.1、给出用于求解控制信号d1或控制信号d2的边界条件。
当移向角控制信号大于等于零时，则利用边界条件(a)如公式(1)所示，得到控制信号d1。
当移向角控制信号小于零时，则利用边界条件(b)如公式(2)所示，得到控制信号d2。
其中V1，V2分别为变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电压，n为变压器一次侧对二次侧的变比1：n。
步骤3.2、给出控制条件如公式(3)所示。
nV1d1＝V2d2(3)
当移向角控制信号大于等于零时，根据步骤3.1得到的控制信号d1的值，利用公式(3)求解d2；当移向角控制信号小于零时,根据步骤3.1得到的控制信号d2的值，利用公式(3)求解d1；
步骤四、根据移向角控制信号边界条件和变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的控制条件能够得到用于控制变压器一次侧电压vAB的控制信号d1和变压器二次侧电压vCD的控制信号d2产生开关管的驱动信号，从而控制变换器的一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD以及变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角Φ，使得变压器电流处于临界连续状态，使得电路的无功损耗减小，开关管电流应力和变换器的环流损耗减小，从而能够提高变换器的效率和可靠性。
本实施例所述的控制方法及其电路拓扑工作过程如下：
变换器开始上电工作后，对于V2电压的调节器，当二次侧电压低于电压的给定Vref时，变换器的功率由V1侧传递至V2侧。数字控制器(DSPTMS320F28335)通过传感器采样V2侧的直流电压作为反馈。将Vref-V2的值经过数字PI调节器和限幅器，输出的值作为两个有源桥之间的移向控制信号，此移向控制信号的数值为正值。得到输出控制值之后，利用边界条件(a)计算V2侧有源桥的两桥臂之间的移向控制信号，记为d1。边界条件(a)可表示为：n为变压器一次侧对二次侧的变比(1：n)。计算得到d1之后，再利用关系式：nV1d1＝V2d2，即可计算出V1侧有源桥的两个桥臂之间的移向控制信号d2。此种控制方法中的边界条件(a)能够保证变压器电流临界连续(波形如图3中的ip和is所示)，在同等功率的情况下，电流的峰值和有效值较小，减小损耗，提高效率。
当二次侧电压高于电压的给定Vref时，变换器的功率由V2侧传递至V1侧。数字控制器(DSPTMS320F28335)通过传感器采样V2侧的直流电压作为反馈。将Vref-V2的值经过数字PI调节器和限幅器，输出的值作为两个有源桥之间的移向控制信号。此时，移向控制信号的数值为负值。得到输出控制值之后，利用边界条件(b)计算V1侧有源桥的两桥臂之间的移向控制信号，记为d2。其中，边界条件(b)可表示为：n为变压器一次侧对二次侧的变比(1：n)。计算得到d2之后，再利用关系式：nV1d1＝V2d2，即可计算出V2侧有源桥的两个桥臂之间的移向控制信号d1。此种控制方法中的边界条件(a)能够保证变压器电流临界连续，在同等功率的情况下，电流的峰值和有效值较小，减小损耗，提高效率。
驱动产生单元通过前述方法得到的d1和d2三个控制变量产生对应的驱动信号，包括S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8。驱动信号的时序图与相关电路波形如图3所示。八个驱动信号在时序上的描述为：所有的驱动信号都是50％的方波信号；S1与S2互补、S3与S4互补、S5与S6互补、S7与S8互补；S1超前S3的时间由d1控制，S5超前S7的时间由d2控制，S1和S5之间的相位差由控制。
利用d1和d2控制八个驱动信号，即可控制变换器的变压器一次侧绕组电压vab，二次侧绕组电压vcd,以及vab与vcd的相位差。实现对变换器的功率控制。当输出功率需要增大时，V2侧直流端电压控制器的输出会增加，从而增大vab与vcd之间的移相角，提高输出功率；当输出功率减小时，V2侧直流端电压控制器的输出会减小，从而减小vab与vcd之间的移相角，降低输出功率。仅仅通过一个控制器，就能实现功率的多变量控制，简化了设计过程。另外，该控制方法能够保证变压器绕组电流在不同的负载下始终保持临界连续。同时，变换器在任何负载下都没有无功损耗。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，其特征在于：通过将二次侧的输出电压的给定vref与实际二次侧的输出电压采样值V2的差值作为电压控制器的输入，控制器的输出用于调节变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角控制信号根据移向角控制信号边界条件以及变压器一次侧电压vAB和控制变压器二次侧电压vCD之间的控制条件能够得到用于控制变压器一次侧电压vAB的控制信号d1和变压器二次侧电压vCD的控制信号d2；通过所述的边界条件以及控制条件能够使变压器电流处于临界连续的模式；根据移向角控制信号控制信号d1和控制信号d2，驱动产生单元产生相对应的开关管驱动控制信号，从而控制变压器的一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD以及变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角Φ；所述的边界条件以及控制条件能够使变压器电流处于临界连续的模式，使得电路的无功损耗减小，开关管电流应力和变换器的环流损耗减小，从而能够提高变换器的效率和可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，其特征在于：所述的控制器仅通过一个电压控制器即可实现对所述的双向DC-DC变换器的控制，能够降低控制单元的复杂程度；所述的电压控制器优选比例积分PI控制器。
3.根据权利要求1或2所述的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，其特征在于：所述的边界条件根据移向角控制信号大小可分为边界条件(a)和边界条件(b)两种；
当移向角控制信号大于等于零时，则利用边界条件(a)如公式(1)所示，
当移向角控制信号小于零时，则利用边界条件(b)如公式(2)所示，
其中V1，V2分别为对变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电压采样值；n为变压器一次侧对二次侧的变比1：n。
4.根据权利要求3所述的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，其特征在于：所述的控制条件如公式(3)所示。
nV1d1＝V2d2(3)
5.根据权利要求4所述的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，其特征在于：所述的变换器为双向拓扑结构，一次侧与二次侧可以互换。
6.一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、确定变换器二次侧直流输出电压给定Vref；
步骤二、对变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电压进行采样，分别记为V1和V2；计算输出电压给定值Vref与V2的差值，所述的差值作为输出电压调节器的输入；所述电压调节器的输出作为变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角控制信号
步骤三、根据移向角控制信号边界条件和变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的控制条件能够得到用于控制变压器一次侧电压vAB的控制信号d1和变压器二次侧电压vCD的控制信号d2；通过所述的边界条件以及控制条件能够使变压器电流处于临界连续的模式；
步骤3.1、给出用于求解控制信号d1或控制信号d2的边界条件；
当移向角控制信号大于等于零时，则利用边界条件(a)如公式(1)所示，得到控制信号d1；
当移向角控制信号小于零时，则利用边界条件(b)如公式(2)所示，得到控制信号d2；
其中V1，V2分别为变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电压采样值，n为变压器一次侧对二次侧的变比1：n；
步骤3.2、给出控制条件如公式(3)所示；
nV1d1＝V2d2(3)
当移向角控制信号大于等于零时，根据步骤3.1得到的控制信号d1的值，利用公式(3)求解d2；当移向角控制信号小于零时,根据步骤3.1得到的控制信号d2的值，利用公式(3)求解d1；
步骤四、根据移向角控制信号边界条件和变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的控制条件能够得到用于控制变压器一次侧电压vAB的控制信号d1和变压器二次侧电压vCD的控制信号d2。通过驱动单元产生对应的开关管驱动信号，从而控制变压器的一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD以及变压器一次侧电压vAB和变压器二次侧电压vCD之间的移向角Φ，使变压器电流处于临界连续的模式，使得电路的无功损耗减小，开关管电流应力和变换器的环流损耗减小，从而能够提高变换器的效率和可靠性。
7.根据权利要求6所述的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，其特征在于：步骤四所述的产生开关管的驱动信号根据具体双向DC-DC变换器拓扑而定。
8.根据权利要求6所述的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，其特征在于：步骤四所述的产生开关管的驱动信号，针对常用的双向双有源桥DC-DC变换器，其包括八个开关管驱动控制信号，分别记为：S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8；所述的八个开关管驱动信号的特征在于：所有的驱动信号都是50％的方波信号；S1与S2互补、S3与S4互补、S5与S6互补、S7与S8互补；S1超前S3的时间由d1控制，S5超前S7的时间由d2控制，S1和S5之间的相位差由控制。
9.根据权利要求6或7或8所述的一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，其特征在于：所述的变换器为双向拓扑结构，一次侧与二次侧可以互换。
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