CN106787755A - 电流源型有源双桥dc‑dc变换器的最优前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流源型有源双桥DC‑DC变换器的最优前馈控制方法，属于电力电子领域的高频隔离开关电源领域。本发明公开的控制方法通过引入输出电流的前馈量，并设计最优前馈系数，达到减小输出阻抗，从而改善***动态性能，并配合等占空比与移相控制，提高了***的可靠性。本发明基于***的数学模型，参数设计简单，易于实际应用，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

电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法

技术领域

本发明涉及电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，尤其涉及一种有源双桥双向DC-DC变换器***动态性能的改善，属于电力电子领域的高频隔离开关电源领域。

背景技术

由蓄电池供电的电气传动***被广泛应用于电动交通工具和一些伺服***，通常希望其中的电力功率变换器具有双向传输的能力，因此，具有双向功率流的变换器得到发展。

因储能***需要适应很宽范围的输入和较小的电流纹波，电流原型双有源桥(CFDAB)是一个很好的选择。双有源桥(DAB)的稳态特征，如环流损耗，无功损耗，低压侧的软开关等，已经被各研究者研究。等效漏感值被设计用来实现ZVS，但其对动态性能的影响微乎其微。事实上，动态性能对DAB尤其是电机传动***至关重要。在电机加速阶段，高电压母线的电压将会下降，极有可能导致变频器的欠压保护。另一方面，直流母线的电压在电机制动时将会急剧上升。因此，在电机加速和制动频繁出现的场合，必须保证其快速的动态性能。

前馈控制可以很好地改善***的动态响应，并抑制单向功率流变换器的二次谐波，因此在变换器***内引入前馈控制。但对于传统的前馈控制，并未提出一种普世有效的前馈控制器参数的设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，用以确定***的最优前馈系数，进而大大改善***的动态性能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

常用类型的有源双桥双向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v_ab，二次侧全桥电路两个桥臂中心点之间的电压v_cd，以及变压器一次侧电压v_ab和变压器二次侧电压v_cd之间的移向角。

电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，包括如下步骤：

步骤一、对变换器***进行小信号建模，确立***的数学模型，并将其写为式(1)的形式

其中，为该***输入电流扰动量，为移相角扰动量。

步骤二、根据步骤一所求出的***传递函数表达式画出该***小信号模型下的***控制框图。

步骤三、根据步骤二绘制出的***控制框图，写出***的输出阻抗表达式，其形式如式(2)

其中，为输出电流扰动量，为输出电压扰动量。须注意，根据小信号模型理论，在求输出阻抗时，应使其他所有扰动量为零。

步骤四、根据式(2)求出的输出阻抗表达式，令其取值最小，由此可解得前馈补偿器的最优补偿系数K_op。

电机负载下的电流扰动量主要来自于低频区域，因此所述最优的前馈补偿系数K_op可近似由式(3)确定。

所述的变换器***为双向拓扑结构，一次侧与二次侧可以互换。

变换器***包含电流反馈回路作为***内环，输出电流i_o通过前馈补偿器K_o的输出，与***反馈控制器G_v(s)的输出相叠加，作为***的电流内环控制器的参考电流i_ref，***的电流内环控制器G_i(s)的输出作为移相控制器的输入，联合低压侧的PWM控制器产生移相角进而对***进行双PWM双移相控制。***的电流内环的给定是前馈补偿器的输出与***反馈补偿器输出之和。同时，输出电流i_o反应的是负载的变化。当负载发生变化时，该变化能够非常迅速地经过前馈补偿器引起***产生相应的迅速调整，因此，输出电流i_o实际可视为扰动作用，控制实际上是偏差控制和扰动控制的结合。最优前馈控制的引入，显著地提升了***的动态性能。

有益效果

1、本发明公开的一种电流源型有源双桥DC-DC变换器最佳前馈控制，通过引入输出电流的前馈，并经过优化后，可大幅降低***的输出阻抗，极大的改善***的动态响应性能。所述的控制器通过引入输出电流的最优前馈控制，并配合双PWM双移相控制，降低了***的输出阻抗，使得输出电压对输出电流变化的敏感度极大下降，极大地改善了***的动态性能。并且，基于数学模型的前馈控制，具有良好的精度和稳定可靠的特点，该控制方法优于不加次前馈控制的普通PID补偿器。

2、本发明公开的电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，配合双PWM双移相控制，可很好地降低各器件的电流应力。

附图说明

图1为本实施例的单模块双有源桥双向DC-DC变换器电路结构示意图；

图2为本实施例的最佳系数前馈控制框图；

图3为本实施例的小信号控制框图；

图4为不同前馈系数下的输出阻抗频率特性图；

图5为有最优前馈控制和无最优前馈控制的切载动态响应图。

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电流源型有源双桥DC-DC变换器最佳前馈控制的可实现性和有益效果。

常用类型的单模块双有源桥双向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；v_ab为a点与b点之间的电压差；v_cd为c点和d点之间的电压差。i_p和i_s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电流源型有源双桥DC-DC变换器最佳前馈控制，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v_ref；

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v_in和v_o；计算输出电压给定值v_ref与输出电压v_o的差值，所述的差值作为输出电压调节器的输入；

步骤三、对变换器的一次侧与二次侧的有源桥直流电流进行采样，分别即为i_in和i_o；输出电流采样值i_o作为前馈补偿器的输入；

步骤四、设计最优前馈补偿系数。

(1)对电流源型有源双桥***即图1电路拓扑进行小信号建模，确立***的数学模型，如式(1)

(2)根据所求出的***传递函数表达式画出该***小信号模型下的控制框图，如图3所示。

(3)根据上面绘制出的***控制框图，写出***的输出阻抗表达式，其形式如式(2)

其中

须注意，在求输出阻抗时，应使其他所有扰动量为零。

(4)根据(2)式求出的输出阻抗表达式，令其取值最小，由此可解得前馈补偿器的最优补偿系数K_op。

电机负载下的电流扰动量主要来自于低频区域，因此所述最优的前馈补偿系数K_op可近似由式(6)确定。

步骤四、前馈补偿器的输出与与电压调节器的输出的和，作为各模块电流内环的电流给定值i_ref；计算电流给定i_ref与输入电流i_in的差值，所述的差值作为移相控制器的输入；

步骤五、移相控制器同时根据步骤三中的电流差值与占空比D，二者联合产生移相角控制信号移相控制器的输出作为该模块的输入，通过驱动单元产生对应的开关管驱动信号，控制高压侧有源全桥的四个开关管的开通与关断，使该模块有源桥高压侧电压v_cd与低压侧电压v_ab形成相位差，以达到控制输出功率的目的。

本实施例所述的变换器***参数为低压侧输入电压V₁＝18～28V，高压侧输出电压V₂＝300V，输入电感L₁＝L₂＝11μH，漏感L_r＝1.0μH，变压器变比为2:10，开关频率为50kHz。

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，当二次侧电压不等于给定v_ref时，变换器的功率由v₁侧传递至v₂侧。数字控制器(DSP)通过传感器采样V₂侧的直流电压作为反馈。将v_ref-v₂的值经过数字PI调节器，其输出的值与输出电流采样i_o经过前馈补偿器K_o的输出的值之和，作为***电流内环的给定信号i_ref，并与***输入电流采样i_in之差i_ref-i_in作为***电流内环数字PI调节器的输入，该调节器的输出作为移相控制器的输入，所产生的信号即用以控制原副边的移相差。

针对图1所示的双向双有源桥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，Q₁，Q₂，Q_1a，Q_2a；所述的八个开关管驱动信号的特征在于：Q₁和Q_1a互补，Q₂和Q_2a互补，Q₁和Q₂交错半个周期；S₁和S₃互补，S₂和S₄互补，S₁和S₂交错，这四个开关管的导通占空比均为50％，交错角度由移相角和低压侧开关管导通占空比D共同确定。

由图2的控制框图可以看出，当负载发生突变时，突变型号将迅速通过前馈控制器传输给***，并引起***相应的动作，起到迅速调节适应的作用，因此极大地提升了***的动态响应。

从图4可以看出，在最优前馈系数处的输出阻抗最小，在大于或小于最优前馈系数时的输出阻抗大于最优前馈系数处的阻抗值。同时，图5为功率从200W切换至3000W的动态响应图，可以看出，引入最优前馈控制后的切载动态响应要明显优于非最优前馈控制的切载动态响应。

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 (3)

1.电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、对变换器***进行小信号建模，确立***的数学模型，并将其写为式(1)的形式

其中，为该***输入电流扰动量，为移相角扰动量；

步骤二、根据步骤一所求出的***传递函数表达式画出该***小信号模型下的***控制框图；

步骤三、根据步骤二绘制出的***控制框图，写出***的输出阻抗表达式，其形式如式(2)

$Z_o\left(s\right)=\frac{{\hat{v}}_o\left(s\right)}{-{\hat{i}}_o\left(s\right)}---\left(2\right)$

其中，为输出电流扰动量，为输出电压扰动量；须注意，根据小信号模型理论，在求输出阻抗时，应使其他所有扰动量为零；

步骤四、根据式(2)求出的输出阻抗表达式，令其取值最小，由此可解得前馈补偿器的最优补偿系数K_op。

2.如权利要求1所述的电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，其特征在于：变换器***包含电流反馈回路作为***内环，输出电流i_o通过前馈补偿器K_o的输出，与***反馈控制器G_v(s)的输出相叠加，作为***的电流内环控制器的参考电流i_ref，***的电流内环控制器G_i(s)的输出作为移相控制器的输入，联合低压侧的PWM控制器产生移相角进而对***进行双PWM双移相控制；***的电流内环的给定是前馈补偿器的输出与***反馈补偿器输出之和；同时，输出电流i_o反应的是负载的变化；当负载发生变化时，该变化能够非常迅速地经过前馈补偿器引起***产生相应的迅速调整，因此，输出电流i_o实际可视为扰动作用，控制实际上是偏差控制和扰动控制的结合。

3.如权利要求1所述的电流源型有源双桥DC-DC变换器的最优前馈控制方法，其特征在于：电机负载下的电流扰动量主要来自于低频区域，因此所述最优的前馈补偿系数K_op可近似由式(3)确定；

$K_o\≈\frac{V_o}{V_{in}}{K}_{fi}=K_{op}---\left(3\right)$

所述的变换器***为双向拓扑结构，一次侧与二次侧可以互换。