一種電流型雙向dc-dc變換器的最佳電流波形控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種最佳電流波形控制方法，特別涉及一種應(yīng)用于隔離式電流型雙向 DC-DC變換器的最佳電流波形控制方法，屬于電力電子領(lǐng)域的高頻開(kāi)關(guān)電源方向。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于應(yīng)用在高壓場(chǎng)合的電流型雙向DC-DC變換器，低壓側(cè)采用具有有源鉗位電路 的電流型半橋拓?fù)?，高壓?cè)采用全橋型拓?fù)洹５蛪簜?cè)的具有有源鉗位電路的電流型半橋拓 撲能夠很好的降低低壓側(cè)電流的紋波，提高蓄電池的使用壽命。高壓側(cè)采用全橋型拓?fù)?，?夠通過(guò)控制其開(kāi)關(guān)邏輯，最大限度減小環(huán)流損耗。對(duì)于雙向DC-DC變換器，低壓側(cè)開(kāi)關(guān)設(shè)備 過(guò)高的電流應(yīng)力以及變換器的環(huán)路電流損耗一直是我們所面臨的挑戰(zhàn)，極大地限制了變換 器的效率。目前，為了降低環(huán)流損耗，常用的控制方法主要有：①移相加脈寬調(diào)制控制法； ②不等寬PWM和移相控制法。方法一：IEEETransactiononpowerelectronics【電力 電子期刊】于 2008 年發(fā)表了"AZVSBidirectionalDC-DCConverterWithPhase-Shift PlusPWMControlScheme"【一種采用移相加脈寬調(diào)制控制的零電壓開(kāi)關(guān)的雙向直流變換 器】一文，通過(guò)采樣低壓側(cè)鉗位電容電壓和高壓側(cè)輸出電壓，調(diào)節(jié)低壓側(cè)開(kāi)關(guān)管的占空比， 從而實(shí)現(xiàn)變壓器原副邊電壓的匹配，從而降低了變壓器漏感電流在功率傳遞階段的斜率， 減小了電流應(yīng)力和環(huán)流損耗，從而提高了變換器的功率密度和效率。然而，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)蓄電池 電壓較低并且在輕載的場(chǎng)合時(shí)，變壓器低壓側(cè)電壓在一個(gè)周期內(nèi)有較長(zhǎng)的時(shí)間為零，能量 不能從低壓側(cè)傳遞到高壓側(cè)。而此時(shí)，變壓器低壓側(cè)電流不為零，此時(shí)較大的環(huán)流會(huì)在低壓 側(cè)電路中產(chǎn)生損耗，而不能傳遞功率，從而造成較低的變換器效率。而且在功率較小的狀態(tài) 下變壓器漏感上會(huì)產(chǎn)生較大的峰值電流，從而產(chǎn)生極大的電流應(yīng)力，對(duì)功率器件帶來(lái)?yè)p害。 方法二：IEEETransactiononindustrialelectronics【工業(yè)電子期刊】于2012年發(fā)表了 "Efficiency-OptimizedHigh-CurrentDualActiveBridgeConverterforAutomotive Applications"【應(yīng)用于汽車中的大電流有源雙橋變換器的功率優(yōu)化】一文提出了不等寬 PWM和移相控制，但是為了實(shí)現(xiàn)一定的功率傳遞，兩側(cè)的PWM脈寬和移相角有無(wú)數(shù)種組合， 需要采用線性插值來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以一般要建立非常復(fù)雜、龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)實(shí)時(shí)控 制。
[0003] 對(duì)于電流源型雙向DC-DC變換器，專利（專利【申請(qǐng)?zhí)枴?01410855278. 7,名稱：電 流型雙向DC-DC變換器不等寬PWM加雙移相控制方法，申請(qǐng)人：北京理工大學(xué)）已經(jīng)提出了 一種不等寬PWM加雙移相控制方法。但是該方法在同樣的工作條件下，并不能充分利用變 壓器低壓側(cè)電壓不為零的階段進(jìn)行功率傳遞，無(wú)法充分降低低壓側(cè)開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了克服上述的不足，提出了一種電流型雙向DC-DC變換器的最 佳電流波形控制方法，通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)低壓側(cè)的占空比和高壓側(cè)全橋兩個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的 邏輯，使得在變壓器低壓側(cè)電壓為零時(shí)，變壓器漏感電流保持同向變化，完成漏感電流的動(dòng) 態(tài)變化至其最大峰值，從而保證變壓器低壓側(cè)電壓不為零時(shí)，在傳遞同樣的功率條件下漏 感電流峰值最小，大大減低了電路和開(kāi)關(guān)管中的環(huán)流損耗和通態(tài)損耗以及功率器件電流應(yīng) 力，進(jìn)而提高了電路的效率和性能。同時(shí)雖然升壓模式與降壓模式副邊開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通邏輯 略有區(qū)別，但是升壓模式與降壓模式可以無(wú)縫切換，所以可以很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)的實(shí) 時(shí)控制。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006] -種隔離式電流型雙向DC-DC變換器的最佳電流波形控制方法，控制方法基于隔 離式電流型雙向DC-DC變換器拓?fù)?，主電路低壓?cè)由具有有源鉗位電路的電流型半橋拓?fù)?構(gòu)成，高壓側(cè)采用全橋拓?fù)洹?br>[0007] 隔離式電流型雙向DC-DC變換器的最佳電流波形控制方法包括兩個(gè)控制環(huán)路，低 壓側(cè)脈寬調(diào)制（PWM)控制環(huán)和移相控制環(huán)；具體控制步驟如下：
[0008] 步驟一：通過(guò)基準(zhǔn)數(shù)字載波發(fā)生器生成基準(zhǔn)載波，初始相位為0 ;同時(shí)產(chǎn)生與 基準(zhǔn)載波相位差180°，開(kāi)關(guān)頻率相同的交錯(cuò)載波Vta2;V移相-31 /2得到載波Vtrt;
[0009] 步驟二：低壓側(cè)電壓vab和高壓側(cè)電壓v&之間的移相控制環(huán)的調(diào)節(jié)；
[0010] 低壓側(cè)電壓vab和高壓側(cè)電壓v之間的移相控制環(huán)通過(guò)電壓傳感器采樣高壓側(cè)電 壓V2的值作為移相控制環(huán)的電壓反饋，計(jì)算電壓給定值V#與v2的差值，該差值作為移相 控制環(huán)電壓數(shù)字PI調(diào)節(jié)器1的輸入，電壓數(shù)字PI調(diào)節(jié)器1的輸出經(jīng)限幅器限幅后作為移 相控制環(huán)電流數(shù)字PI調(diào)節(jié)器2的給定；通過(guò)電流傳感器采樣低壓側(cè)電流k的值作為移相 控制環(huán)的電流反饋，計(jì)算電流數(shù)字PI調(diào)節(jié)器給定值與k的差值作為電流數(shù)字PI調(diào)節(jié)器2 的輸入，電流數(shù)字PI調(diào)節(jié)器2的輸出經(jīng)限幅器限幅后作為移相角〇 ;
[0011] ⑴升壓模式：
[0012] 當(dāng)0彡①彡（2D-1) 31時(shí)（其中D為低壓側(cè)每個(gè)橋臂下管占空比），基準(zhǔn)載波乂&1 移相（2D-1) 31，通過(guò)載波移相控制器后得到載波Vtrt;
[0013] 當(dāng)〇>(2D-l) 31時(shí)，基準(zhǔn)載波V移相〇,通過(guò)載波移相控制器后得到載波Vtrt;
[0014] 將Vtri與其峰值的一半Vtrtfc6ak)/2經(jīng)比較器比較后得到信號(hào)S2and3，其經(jīng)反向器反向 后得到開(kāi)關(guān)管信號(hào)Sland4;
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種隔離式電流型雙向DC-DC變換器的最佳電流波形控制方法，基于隔離式電流型 雙向DC-DC變換器拓?fù)洌麟娐返蛪簜?cè)由具有有源鉗位電路的電流型半橋拓?fù)錁?gòu)成，高壓 側(cè)采用全橋拓?fù)?；包括兩個(gè)控制環(huán)路，低壓側(cè)脈寬調(diào)制（PWM)控制環(huán)和移相控制環(huán)；具體控 制步驟如下： 步驟一：通過(guò)基準(zhǔn)數(shù)字載波發(fā)生器生成基準(zhǔn)載波，初始相位為0 ;同時(shí)產(chǎn)生與基準(zhǔn) 載波相位差180°，開(kāi)關(guān)頻率相同的交錯(cuò)載波Vta2;V移相-JT/2得到載波Vtrt; 步驟二：低壓側(cè)電壓vab和高壓側(cè)電壓vm之間的移相控制環(huán)的調(diào)節(jié)； 低壓側(cè)電壓vab和高壓側(cè)電壓v^之間的移相控制環(huán)通過(guò)電壓傳感器采樣高壓側(cè)電壓v2的值作為移相控制環(huán)的電壓反饋，計(jì)算電壓給定值￥#與~的差值，該差值作為移相控制 環(huán)電壓數(shù)字PI調(diào)節(jié)器1的輸入，電壓數(shù)字PI調(diào)節(jié)器1的輸出經(jīng)限幅器限幅后作為移相控 制環(huán)電流數(shù)字PI調(diào)節(jié)器2的給定；通過(guò)電流傳感器采樣低壓側(cè)電流k的值作為移相控制 環(huán)的電流反饋，計(jì)算電流數(shù)字PI調(diào)節(jié)器給定值與k的差值作為電流數(shù)字PI調(diào)節(jié)器2的輸 入，電流數(shù)字PI調(diào)節(jié)器2的輸出經(jīng)限幅器限幅后作為移相角〇 ; (1) 升壓模式： 當(dāng)< (2D-1) 31時(shí)（其中D為低壓側(cè)每個(gè)橋臂下管占空比），基準(zhǔn)載波乂^移相 (2D-1) 31，通過(guò)載波移相控制器后得到載波Vtri; 當(dāng)〇>(2D-l)Jr時(shí)，基準(zhǔn)載波移相通過(guò)載波移相控制器后得到載波Vtrt; 將與其峰值的一半Vtrtfc6ak)/2經(jīng)比較器比較后得到信號(hào)S2and3，其經(jīng)反向器反向后得 到開(kāi)關(guān)管信號(hào)Sland4; 載波與
比較得到控制信號(hào)S4s，將S4s移相180度得到控制信號(hào) S3s; 將信號(hào)S4s與信號(hào)sland4經(jīng)過(guò)或門運(yùn)算得到副邊開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)s4，將s4反向得到開(kāi)關(guān) 管驅(qū)動(dòng)信號(hào)s2; 將信號(hào)S3s與信號(hào)s2and3經(jīng)過(guò)或門運(yùn)算得到副邊開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)s3，將s3反向得到開(kāi)關(guān) 管驅(qū)動(dòng)信號(hào)s1; (2) 降壓模式： 當(dāng)-(2D-1)JT彡OKO時(shí)，基準(zhǔn)載波V移相0,通過(guò)載波移相控制器后得到載波Vtri; 當(dāng)〇〈-(2D-l)Jr時(shí)，基準(zhǔn)載波Vtal移相〇 + (2D-l)Jr，通過(guò)載波移相控制器后得到相位 為 〇 + (2D-l)JT的載波Vtri; 將與其峰值的一半Vtrtfc6ak)/2經(jīng)比較器比較后得到信號(hào)S2and3，其經(jīng)反向器反向后得 到開(kāi)關(guān)管信號(hào)Sland4; 載波與
比較得到控制信號(hào)S4s，將S4s移相180度得到控制信號(hào) S3s; 將信號(hào)S4s與信號(hào)sland4經(jīng)過(guò)或門運(yùn)算得到副邊開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)s2，將s2反向得到開(kāi)關(guān) 管驅(qū)動(dòng)信號(hào)s4; 將信號(hào)S3s與信號(hào)S2and3經(jīng)過(guò)或門運(yùn)算得到副邊開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)Si，將Si反向得到開(kāi)關(guān) 管驅(qū)動(dòng)信號(hào)s3; 步驟三：低壓側(cè)PWM控制環(huán)的調(diào)節(jié)； 通過(guò)電壓傳感器采樣低壓側(cè)鉗位電容上的電壓即變壓器低壓側(cè)電壓vab的正向最 大值），與經(jīng)過(guò)DSP計(jì)算出來(lái)的電壓給定VMf/n(這里n=N2:Ni)進(jìn)行求差后作為PWM控制 環(huán)的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器3的輸入，將PWM控制環(huán)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器3的輸出經(jīng)限幅器限幅后作為 載波UPV的比較值Vm，其中與比較產(chǎn)生的控制信號(hào)作為開(kāi)關(guān)管Q2的PWM驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，反向后作為開(kāi)關(guān)管Q2a的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)；與比較產(chǎn)生的控制信號(hào)作為開(kāi)關(guān)管Qj^PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反向后作為開(kāi)關(guān)管Qla的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隔離式電流型雙向DC-DC變換器的最佳電流波形控制方 法，其特征在于：所述開(kāi)關(guān)管為存在反并聯(lián)的體二極管和漏源極的寄生電容的開(kāi)關(guān)管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隔離式電流型雙向DC-DC變換器的最佳電流波形控制方 法，其特征在于：所述步驟二、步驟三沒(méi)有先后順序。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電流型雙向DC-DC變換器的最佳電流波形控制方法，屬于電力電子領(lǐng)域高頻開(kāi)關(guān)電源方向。本發(fā)明方法通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)低壓側(cè)的占空比和高壓側(cè)全橋兩個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的邏輯，使得在變壓器低壓側(cè)電壓為零時(shí)，變壓器漏感電流保持同向變化，完成漏感電流的動(dòng)態(tài)變化至其最大峰值，從而保證變壓器低壓側(cè)電壓不為零時(shí)，在傳遞同樣的功率條件下，漏感電流的峰值最小，大大減低了電路和開(kāi)關(guān)管中的環(huán)流損耗和通態(tài)損耗以及功率器件電流應(yīng)力，進(jìn)而提高了電路的效率和性能。與此同時(shí)，雖然升壓模式與降壓模式時(shí)副邊開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通邏輯略有區(qū)別，但是升壓模式與降壓模式可以無(wú)縫切換，所以可以很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)的實(shí)時(shí)控制。
【IPC分類】H02M3-335
【公開(kāi)號(hào)】CN104578802
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510027091
【發(fā)明人】沙德尚, 許國(guó), 劉弘耀, 李斌
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月20日