CN109687717A - 一种功率可调lc输入串联输出并联直流变压器及控制方法 - Google Patents

一种功率可调lc输入串联输出并联直流变压器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率可调LC输入串联输出并联直流变压器及控制方法。该直流变压器包括多个LC谐振变换器模块和一个辅助功率控制桥臂。其中LC谐振电路开环工作在谐振频率下，实现零电流开关。正向传输功率时，辅助桥臂上管持续关断利用二极管进行续流，下管以一定的占空比导通；而功率反向传输时，辅助桥臂下管持续关断利用二极管进行续流，上管以一定的占空比导通。通过调节辅助桥臂上管或者下管的占空比大小实现整个直流变压器的功率可调。从而在无需变频的情况下，达到了功率可调的目的。

Description

一种功率可调LC输入串联输出并联直流变压器及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及的一种功率可调LC输入串联输出并联直流变压器及控制方法。
背景技术
作为电力电子集成技术的重要分支，多变换器串并联***一直是近年来研究的热点。由于多模块串并联***具有降低开发难度、方便扩容、实现***冗余、可靠性高等优点，其广泛运用于分布式发电、电力电子变压器及不间断电源等***中。对于多变换器串并联***，不同串并联组合方式的***应用于不同的场合。以ISOP***为例，其适用于高电压输入，大电流输出的场合。例如城市轨道交通、电气化铁路以及船舶供电***中的大功率直流开关电源。
由LC谐振变换器串并联而成的LC谐振型直流变压器以其拓扑结构简单，以准正弦型电流波形工作，易于实现软开关，变换器效率高，参数设计方便，控制理论较为成熟而得到广泛的使用。而且，串联谐振变换器具有短路自保护特性，当负载短路时，谐振电感可以阻止电流突增，使保护电路有充分的时间动作。由于谐振电流会随着负载电流的减小而减小，因此电路在轻载时仍能保证较高的效率。谐振电容具有阻断直流的作用，能够有效阻隔谐振电流中的直流分量，这样不用外加控制就可以解决由功率器件开关速度不同、开关导通时间不相等和导通压降不等而带来的伏·秒不平衡的问题。此外，其负载侧的滤波采用了容性滤波器，减小了变换器的体积和成本。但是串联谐振变换器的主要缺点是空载时电压传输增益曲线近似为水平线，为了调节输出电压，需要大幅度改变开关频率，这样便不利于滤波器的设计。
发明内容
发明目的：本发明针对LC谐振型直流变压器开环工作在谐振点时电压、功率不可控，但效率高的特点，加入一个辅助桥臂模块，通过调节辅助桥臂开关管占空比的大小，能够实现在不需变频的情况下实现该直流变压器功率可调的目的。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器，
包括N个DC-DC变换器，N为整数且大于等于2：
所述DC-DC变换器包括N-1个LC串联谐振变换器模块，以及一个辅助桥臂模块；其中，N-1个LC谐振变换器，用于作为整个变换器的功率传输模块；
辅助桥臂模块，用于用作控制整个变换器的功率；
每个LC串联谐振变换器模块的输入端分别并联于相应的输入分压电容的两端，输出端并联后接在负载的两侧，每个LC串联谐振变换器均有自己的控制环路，模块间控制器无互联线，实现了每个模块的独立控制。
作为本发明基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的进一步优选方案，LC串联谐振变换器模块包括输入分压电容Cdi、变换器原边、变换器副边以及输出电容Coi，变换器原边的输入端并联于相应的输入分压电容Cdi的两端，则变换器原边与变换器副边通过磁路耦合连接，变换器副边的输出端并联于输出电容Coi的两端，然后并联于低压直流端，i＝1,2,...,N。
作为本发明基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的进一步优选方案，LC串联谐振变换器模块包含变换器原边全桥和副边全桥电路，其中变换器原边全桥电路包括：第一开关管Qi1、第二开关管Qi2、第三开关管Qi3、第四开关管Qi4，原边谐振电感Lri、原边谐振电容Cri和原边绕组，第一开关管至第四开关管均反并联一个二极管，然后分别设置于原边全桥电路的第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂中点经过原边谐振电感Lri与原边绕组同名端连接，第二桥臂中点经原边谐振电容Cri与原边绕组另一端连接；
变换器副边全桥电路包括：第五开关管Qi5、第六开关管Qi6、第七开关管Qi7、第八开关管Qi8和副边绕组；第五开关管Qi5、第六开关管Qi6、第七开关管Qi7、第八开关管Qi8均反并联一个二极管，然后分别设置于变换器副边全桥电路的第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂中点与副边绕组同名端连接，第二桥臂中点与副边绕组另一端连接； i＝1,2,…,N-1。
作为本发明基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的进一步优选方案，LC串联谐振变换器模块：第一开关管Qi1和第二开关管Qi2的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第三开关管Qi3和第四开关管Qi4驱动波形互补且占空比均为固定50％，第一开关管Qi1和第四开关管Qi4驱动波形相同，第二开关管Qi2驱动和第三开关管Qi3驱动波形相同；
第五开关管Qi5和第六开关管Qi6的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第七开关管Qi7和第八开关管Qi8驱动波形互补且占空比均为固定50％，第五开关管Qi5和第八开关管Qi8驱动波形相同，第六开关管Qi6驱动和第七开关管Qi7驱动波形相同；
第一开关管Qi1的驱动波形和第五开关管Qi5的驱动波形也是相同的；开关管的开关频率和谐振腔的谐振频率相同，为
作为本发明基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的进一步优选方案，辅助桥臂模块包括输入电容Ca、输入电感La以及一个半桥；其中半桥的上管和下管均反并联一个二极管，半桥的上管接到1#LC串联谐振变换器模块的输入电容 CdN的正极，下管接到输入端分压电容Ca的负极；辅助输入端分压电容Ca的正极串接在N#LC串联谐振变换器模块的输入电容CdN的负极，输入电感La一端接在半桥的桥臂中点，另一端接到输入电容Ca的正极。
作为本发明基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的进一步优选方案，功率正向传输时，辅助桥臂的上管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，下管的驱动波形是占空比可调的方波信号；功率反向传输时，辅助桥臂的下管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，上管的驱动波形是占空比可调的方波信号。
一种功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1，设置第1～N个LC谐振变换器模块中各开关管的开关频率，获得LC谐振变换器模块的驱动信号，使得LC谐振变换器模块采用50％占空比开环控制方式；
步骤2，设置辅助桥臂各开关管的开关频率与LC谐振变换器模块中各开关管的开关频率相同，获得辅助桥臂开关管驱动信号；
步骤3，ISOP直流变压器功率控制。
作为本发明一种功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的控制方法的进一步优选方案，在步骤1中：LC串联谐振变换器模块第一开关管Qi1和第二开关管Qi2的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第三开关管Qi3和第四开关管Qi4驱动波形互补且占空比均为固定50％，第一开关管Qi1和第四开关管Qi4驱动波形相同，第二开关管Qi2驱动和第三开关管Qi3驱动波形相同；
第五开关管Qi5和第六开关管Qi6的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第七开关管Qi7和第八开关管Qi8驱动波形互补且占空比均为固定50％，第五开关管Qi5和第八开关管Qi8驱动波形相同，第六开关管Qi6驱动和第七开关管Qi7驱动波形相同；
第一开关管Qi1的驱动波形和第五开关管Qi5的驱动波形也是相同的；开关管的开关频率和谐振腔的谐振频率相同，为
作为本发明一种功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的控制方法的进一步优选方案，在步骤2中：功率正向传输时，辅助桥臂的上管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，下管的驱动波形是占空比可调的方波信号；功率反向传输时，辅助桥臂的下管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，上管的驱动波形是占空比可调的方波信号。
作为本发明一种功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的控制方法的进一步优选方案，步骤3具体为：
步骤3.1，判断功率传输方向，确定辅助桥臂的工作模态；
步骤3.2，采样ISOP直流变压器的输出功率，然后与参考功率做差，该差值依次通过一个PI调节器和一个限幅器，则得到辅助桥臂上管或者下管占空比的大小；
步骤3.3，将得到的占空比的大小反馈给辅助桥臂模块控制直流变压器功率输出。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，
1)效率高且无需变频即可调节输出功率；
2)该技术方案中，所有LC谐振变换器模块开关管驱动都为固定占空比50％，只需通过采样输出功率进行PI调节获取辅助桥臂开关管占空比大小，控制方法简单易实现；
3)模块间无互联线，模块化程度高；
4)该技术方案成本较低，便于进一步的推广应用。
附图说明
图1为本发明ISOP直流变压器***主电路原理图；
图2为本发明二个LC谐振变换器模块组成的ISOP直流变压器***主电路原理图；
图3为本发明中LC谐振变换器模块典型驱动；
图4为本发明LC谐振变换器模块的主要工作波形；
图5为本发明改变辅助桥臂开关管占空比大小的情况下，***的输出功率变化波形；
图6为本发明功率反向时，***的输出功率变化波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作更进一步的说明。
以下所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器，其特征在于：
包括N个DC-DC变换器，N为整数且大于等于2：
所述DC-DC变换器包括N-1个LC串联谐振变换器模块，以及一个辅助桥臂模块；其中，N-1个LC谐振变换器，用于作为整个变换器的功率传输模块；
辅助桥臂模块，用于用作控制整个变换器的功率；
每个LC串联谐振变换器模块的输入端分别并联于相应的输入分压电容的两端，输出端并联后接在负载的两侧，每个LC串联谐振变换器均有自己的控制环路，模块间控制器无互联线，实现了每个模块的独立控制。
LC串联谐振变换器模块包括输入分压电容Cdi、变换器原边、变换器副边以及输出电容Coi，变换器原边的输入端并联于相应的输入分压电容Cdi的两端，则变换器原边与变换器副边通过磁路耦合连接，变换器副边的输出端并联于输出电容Coi的两端，然后并联于低压直流端，i＝1,2,…,N。
LC串联谐振变换器模块包含变换器原边全桥和副边全桥电路，其中变换器原边全桥电路包括：第一开关管Qi1、第二开关管Qi2、第三开关管Qi3、第四开关管Qi4，原边谐振电感Lri、原边谐振电容Cri和原边绕组，第一开关管至第四开关管均反并联一个二极管，然后分别设置于原边全桥电路的第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂中点经过原边谐振电感Lri与原边绕组同名端连接，第二桥臂中点经原边谐振电容Cri与原边绕组另一端连接；
变换器副边全桥电路包括：第五开关管Qi5、第六开关管Qi6、第七开关管Qi7、第八开关管Qi8和副边绕组；第五开关管Qi5、第六开关管Qi6、第七开关管Qi7、第八开关管Qi8均反并联一个二极管，然后分别设置于变换器副边全桥电路的第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂中点与副边绕组同名端连接，第二桥臂中点与副边绕组另一端连接； i＝1,2,…,N-1。
LC串联谐振变换器模块：第一开关管Qi1和第二开关管Qi2的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第三开关管Qi3和第四开关管Qi4驱动波形互补且占空比均为固定 50％，第一开关管Qi1和第四开关管Qi4驱动波形相同，第二开关管Qi2驱动和第三开关管Qi3驱动波形相同；
第五开关管Qi5和第六开关管Qi6的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第七开关管Qi7和第八开关管Qi8驱动波形互补且占空比均为固定50％，第五开关管Qi5和第八开关管Qi8驱动波形相同，第六开关管Qi6驱动和第七开关管Qi7驱动波形相同；
第一开关管Qi1的驱动波形和第五开关管Qi5的驱动波形也是相同的；开关管的开关频率和谐振腔的谐振频率相同，为
辅助桥臂模块包括输入电容Ca、输入电感La以及一个半桥；其中半桥的上管和下管均反并联一个二极管，半桥的上管接到1#LC串联谐振变换器模块的输入电容CdN的正极，下管接到输入端分压电容Ca的负极；辅助输入端分压电容Ca的正极串接在N# LC串联谐振变换器模块的输入电容CdN的负极，输入电感La一端接在半桥的桥臂中点，另一端接到输入电容Ca的正极。
功率正向传输时，辅助桥臂的上管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，下管的驱动波形是占空比可调的方波信号；功率反向传输时，辅助桥臂的下管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，上管的驱动波形是占空比可调的方波信号。
本发明还提供了一种基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，设置第1～N个LC谐振变换器模块中各开关管的开关频率，获得LC谐振变换器模块的驱动信号，使得LC谐振变换器模块采用50％占空比开环控制方式；
步骤2，设置辅助桥臂各开关管的开关频率与LC谐振变换器模块中各开关管的开关频率相同，获得辅助桥臂开关管驱动信号；
步骤3，ISOP直流变压器功率控制。
在步骤1中：LC串联谐振变换器模块第一开关管Qi1和第二开关管Qi2的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第三开关管Qi3和第四开关管Qi4驱动波形互补且占空比均为固定50％，第一开关管Qi1和第四开关管Qi4驱动波形相同，第二开关管Qi2驱动和第三开关管Qi3驱动波形相同；
第五开关管Qi5和第六开关管Qi6的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第七开关管Qi7和第八开关管Qi8驱动波形互补且占空比均为固定50％，第五开关管Qi5和第八开关管Qi8驱动波形相同，第六开关管Qi6驱动和第七开关管Qi7驱动波形相同；
第一开关管Qi1的驱动波形和第五开关管Qi5的驱动波形也是相同的；开关管的开关频率和谐振腔的谐振频率相同，为
在步骤2中,：功率正向传输时，辅助桥臂的上管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，下管的驱动波形是占空比可调的方波信号；功率反向传输时，辅助桥臂的下管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，上管的驱动波形是占空比可调的方波信号。
步骤3具体为：
步骤3.1，判断功率传输方向，确定辅助桥臂的工作模态；
步骤3.2，采样ISOP直流变压器的输出功率，然后与参考功率做差，该差值依次通过一个PI调节器和一个限幅器，则得到辅助桥臂上管或者下管占空比的大小；
步骤3.3，将得到的占空比的大小反馈给辅助桥臂模块控制直流变压器功率输出。
实施例：
下面以二个LC变换器模块和一个辅助桥臂组成的ISOP直流变压器(如图2所示)为例，并结合仿真结果来阐述本发明的技术方案的工作原理。仿真参数如下：
仿***要参数
图2为包括辅助桥臂的二模块的ISOP直流变压器的拓扑结构图，参见图3控制方式，按照之前提的控制方法给出变换器的驱动信号，即LC谐振变换器采用50％占空比开环控制方式，辅助桥臂采用单管开通的方式。图4给出了对应驱动信号下，LC谐振变换器模块的主要工作波形。
此时，功率正向传输，通过改变辅助桥臂下管占空比的大小来改变整个直流变压器的传输功率。
如图5所示，0.1s时，***的传输功率大小发生跳变，通过改变辅助桥臂下管占空比的大小实现了传输功率的跳变。可以看出在低压侧电压不变的情况下，通过调节辅助桥臂下管占空比的大小，能够有效调节***的输出功率的大小。
如图6所示，0.1s时，***的传输功率方向发生跳变，通过改变辅助桥臂的工作模态，由反向功率传输模态转变为正向功率传输模态。可以看出在低压侧电压不变的情况下，通过调节辅助桥臂的工作模态，能够有效调节***的输出功率的方向。
总之，本发明的一种适用于中压直流配电网的基于辅助桥臂的功率可调LC型输入串联输出并联(ISOP)直流变压器。该直流变压器包括多个LC谐振变换器模块和一个辅助桥臂模块，其中LC谐振电路工作在谐振频率下，实现零电流开关。正向传输功率时，辅助桥臂上管持续关断利用二极管进行续流，下管以一定的占空比导通；而功率反向传输时，辅助桥臂下管持续关断利用二极管进行续流，上管以一定的占空比导通。通过调节辅助桥臂上管或者下管的占空比大小实现整个直流变压器的功率可调。从而在无需变频的情况下，达到了功率可调的目的。

Claims (10)

1.基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器，其特征在于：
包括N个DC-DC变换器，N为整数且大于等于2：
所述DC-DC变换器包括N-1个LC串联谐振变换器模块，以及一个辅助桥臂模块；其中，N-1个LC谐振变换器，用于作为整个变换器的功率传输模块；
辅助桥臂模块，用于用作控制整个变换器的功率；
每个LC串联谐振变换器模块的输入端分别并联于相应的输入分压电容的两端，输出端并联后接在负载的两侧，每个LC串联谐振变换器均有自己的控制环路，模块间控制器无互联线，实现了每个模块的独立控制。
2.根据权利要求1所述的基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器，其特征在于：LC串联谐振变换器模块包括输入分压电容Cdi、变换器原边、变换器副边以及输出电容Coi，变换器原边的输入端并联于相应的输入分压电容Cdi的两端，则变换器原边与变换器副边通过磁路耦合连接，变换器副边的输出端并联于输出电容Coi的两端，然后并联于低压直流端，i＝1,2,...,N。
3.根据权利要求2所述的基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器，其特征在于：LC串联谐振变换器模块包含变换器原边全桥和副边全桥电路，其中变换器原边全桥电路包括：第一开关管Qi1、第二开关管Qi2、第三开关管Qi3、第四开关管Qi4，原边谐振电感Lri、原边谐振电容Cri和原边绕组，第一开关管至第四开关管均反并联一个二极管，然后分别设置于原边全桥电路的第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂中点经过原边谐振电感Lri与原边绕组同名端连接，第二桥臂中点经原边谐振电容Cri与原边绕组另一端连接；
变换器副边全桥电路包括：第五开关管Qi5、第六开关管Qi6、第七开关管Qi7、第八开关管Qi8和副边绕组；第五开关管Qi5、第六开关管Qi6、第七开关管Qi7、第八开关管Qi8均反并联一个二极管，然后分别设置于变换器副边全桥电路的第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂中点与副边绕组同名端连接，第二桥臂中点与副边绕组另一端连接；i＝1,2,...,N-1。
4.根据权利要求3所述的基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器，其特征在于：LC串联谐振变换器模块：第一开关管Qi1和第二开关管Qi2的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第三开关管Qi3和第四开关管Qi4驱动波形互补且占空比均为固定50％，第一开关管Qi1和第四开关管Qi4驱动波形相同，第二开关管Qi2驱动和第三开关管Qi3驱动波形相同；
第五开关管Qi5和第六开关管Qi6的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第七开关管Qi7和第八开关管Qi8驱动波形互补且占空比均为固定50％，第五开关管Qi5和第八开关管Qi8驱动波形相同，第六开关管Qi6驱动和第七开关管Qi7驱动波形相同；
第一开关管Qi1的驱动波形和第五开关管Qi5的驱动波形也是相同的；开关管的开关频率和谐振腔的谐振频率相同，为
5.根据权利要求1所述的基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器，其特征在于：辅助桥臂模块包括输入电容Ca、输入电感La以及一个半桥；其中半桥的上管和下管均反并联一个二极管，半桥的上管接到1#LC串联谐振变换器模块的输入电容CdN的正极，下管接到输入端分压电容Ca的负极；辅助输入端分压电容Ca的正极串接在N#LC串联谐振变换器模块的输入电容CdN的负极，输入电感La一端接在半桥的桥臂中点，另一端接到输入电容Ca的正极。
6.根据权利要求5所述的基于辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器，其特征在于：功率正向传输时，辅助桥臂的上管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，下管的驱动波形是占空比可调的方波信号；功率反向传输时，辅助桥臂的下管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，上管的驱动波形是占空比可调的方波信号。
7.一种基于权利要求1至6所述的辅助桥臂的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，设置第1～N个LC谐振变换器模块中各开关管的开关频率，获得LC谐振变换器模块的驱动信号，使得LC谐振变换器模块采用50％占空比开环控制方式；
步骤2，设置辅助桥臂各开关管的开关频率与LC谐振变换器模块中各开关管的开关频率相同，获得辅助桥臂开关管驱动信号；
步骤3，ISOP直流变压器功率控制。
8.根据权利要求8所述的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器及控制方法，其特征在于，在步骤1中：LC串联谐振变换器模块第一开关管Qi1和第二开关管Qi2的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第三开关管Qi3和第四开关管Qi4驱动波形互补且占空比均为固定50％，第一开关管Qi1和第四开关管Qi4驱动波形相同，第二开关管Qi2驱动和第三开关管Qi3驱动波形相同；
第五开关管Qi5和第六开关管Qi6的驱动波形互补且占空比均为固定50％，第七开关管Qi7和第八开关管Qi8驱动波形互补且占空比均为固定50％，第五开关管Qi5和第八开关管Qi8驱动波形相同，第六开关管Qi6驱动和第七开关管Qi7驱动波形相同；
第一开关管Qi1的驱动波形和第五开关管Qi5的驱动波形也是相同的；开关管的开关频率和谐振腔的谐振频率相同，为
9.根据权利要求8所述的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器及控制方法，其特征在于，在步骤2中：功率正向传输时，辅助桥臂的上管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，下管的驱动波形是占空比可调的方波信号；功率反向传输时，辅助桥臂的下管一直给低电平信号，处于常关断状态，利用其反并联二极管续流，上管的驱动波形是占空比可调的方波信号。
10.根据权利要求8所述的功率可调LC输入串联输出并联直流变压器及控制方法，其特征在于，步骤3具体为：
步骤3.1，判断功率传输方向，确定辅助桥臂的工作模态；
步骤3.2，采样ISOP直流变压器的输出功率，然后与参考功率做差，该差值依次通过一个PI调节器和一个限幅器，则得到辅助桥臂上管或者下管占空比的大小；
步骤3.3，将得到的占空比的大小反馈给辅助桥臂模块控制直流变压器功率输出。
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