一種應(yīng)用于全橋隔離dc-dc變換器的直接功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及全橋隔離DC-DC變換器（包含多電平全橋隔離DC-DC變換器）的控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在20實(shí)際90年代初，全橋隔離DC-DC變換器拓?fù)浔粚W(xué)者提出來。隨著新能源變 流技術(shù)的迅速發(fā)展，因其具有電氣隔離、功率密度高、能量能雙向流動(dòng)W及模塊級(jí)聯(lián)容易等 優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越廣泛的關(guān)注。在新能源變換系統(tǒng)中，全橋隔離DC/DC變換器應(yīng)用于分布 式發(fā)電的微型電網(wǎng)、電動(dòng)汽車和一些能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中來滿足不同等級(jí)電壓的變換W及能量 的雙向傳輸?shù)男枰４送?，在在高速列車的發(fā)展趨勢(shì)中，輕量化與高功率密度化是實(shí)現(xiàn)高速 列車更高速度、高效節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了提升牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的功率密度，取消機(jī)車上 的工頻牽引變壓器，大功率級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器與全橋隔離DC/DC變換器相結(jié)合的中高 頻變壓器機(jī)車也成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
[0003] 總所周知，在上述能量變換系統(tǒng)中，變換器需要有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能來提高變 換器系統(tǒng)的魯棒性，因此提升變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也是變換器的一個(gè)重要目標(biāo)。此外，在 交流傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用中，全橋隔離DC/DC變換器的前端為單相脈沖整流器，單相脈沖整流 器的直流母線電壓會(huì)存在二倍電網(wǎng)頻率的電壓脈動(dòng)，也即全橋隔離DC-DC變換器的輸入電 壓含有二倍頻電壓脈動(dòng)，如果該二倍頻脈動(dòng)的輸入電壓會(huì)引起全橋DC-DC變換器的輸出電 壓脈動(dòng)，則最終會(huì)導(dǎo)致DC-DC變換器后級(jí)牽引逆變器-電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)拍頻現(xiàn)象，惡化牽引電 機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子電流性能，甚至引起電機(jī)過熱而損壞。因此，在輸入電壓含有脈動(dòng)情況下， 如何優(yōu)化全橋隔離DC/DC變換器的控制方法，達(dá)到減小輸入脈動(dòng)電壓對(duì)輸出電壓的影響是 非常必要的?？v觀已有資料，關(guān)于全橋隔離DC/DC變換器輸入電壓突變和輸入電壓含有脈 動(dòng)的控制方法報(bào)道較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的W上缺點(diǎn)，W單相移控制方法為例，本發(fā)明提供了一種全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控制方法，目的是：在輸入電壓突變和輸入電壓含有脈動(dòng)的情況 下，提高變換器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。該直接功率控制方法能夠顯著提高變換器對(duì)輸入突 變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，并且在輸入電壓含有二倍頻電壓脈動(dòng)的情況下減小輸出電壓的二倍頻 脈動(dòng)。 陽〇化]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006] 一種應(yīng)用于全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控制方法，用于提高全橋隔離 DC-DC變換器對(duì)輸入電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，使其在輸入電壓突變或波動(dòng)的情況時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出 電壓基本穩(wěn)定；包含如下主要步驟：
[0007] 通過采集模塊Ol得到變換器的輸出電壓U。和輸入電壓值U1。，將輸出電壓實(shí)際值U。與其給定值IT。的誤差通過電壓外環(huán)PI模塊02獲得功率給定值P，由輸出電壓、輸入電 壓值和功率給定值經(jīng)過相移控制量計(jì)算模塊03得到相移控制量D，再由調(diào)制模塊04根據(jù) 相移控制量生成對(duì)應(yīng)的全橋隔離DC-DC變換器開關(guān)器件脈沖控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)全橋隔離 DC-DC變換器的控制。
[0008] 運(yùn)樣，應(yīng)用本發(fā)明全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控制方法，采集輸入電壓和 輸出電壓，通過建立相移控制量基于輸出電壓、輸入電壓值和功率給定值的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn) 功率的直接控制，得到相移控制量的大小，生成開關(guān)控制信號(hào)，最終完成全橋隔離DC-DC變 換器的控制。
[0009] 所述相移控制量計(jì)算模塊03的相移控制量計(jì)算模型的獲得是基于W下的分析處 理：
[0010] 首先，針對(duì)單相移控制方法，全橋隔離DC-DC變換器輸出功率可表示為式（1)
[0011]
0)
[0012] 其中：D為全橋隔離DC-DC變換器單相移控制方法中的相移控制量化。為輸入電 壓；U。為輸入電壓；L為等效電感值；f\為開關(guān)頻率；n為隔離變壓器變比。
[0013] 對(duì)于全橋隔離DC/DC變換器電感參數(shù)L變壓器變比nW及開關(guān)周期Ts可近似視 為常數(shù)，則全橋隔離DC/DC變換器的輸出功率可W進(jìn)一步表示為
[0014]
(2)
[0015] 根據(jù)式似，則相移控制量D可表示為
[0016]
徵
[0017] 在控制模型中P輸出功率給定值。
[0018] 最后，根據(jù)求解得相移控制量D，通過調(diào)制模塊04可獲得開關(guān)控制信號(hào)，從而完成 全橋隔離DC-DC變換器的相移控制。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0020] 一、在輸入電壓發(fā)生突變時(shí)，輸出電壓基本保持不變，顯著提高了變換器在輸入電 壓突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
[0021] 二、在輸入電壓含有二倍脈動(dòng)時(shí)，能夠顯著減小輸出電壓的的二倍脈動(dòng)分量。 陽02引 S、具有較高的通用性，同樣適合全橋隔離DC-DC變換器的其相移控制方法。
【附圖說明】
[002引圖1全橋隔離DC-DC變換器直接功率控制的系統(tǒng)框圖[0024] 圖2單相移控制方法的波形示意圖。 陽0巧]圖3輸入電壓由200V突變到240V，全橋隔離DC-DC變換器傳統(tǒng)閉環(huán)控制的波形 圖。 陽0%] 圖4輸入電壓由200V突變到240V，全橋隔離DC-DC變換器直接功率控制的波形圖
[0027] 圖5輸入電壓由200V突變到160V，全橋隔離DC-DC變換器傳統(tǒng)閉環(huán)控制的波形 圖。
[0028] 圖6輸入電壓由200V突變到160V，全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控制的波形 圖。
[0029] 圖7輸入電壓含有40V/100化脈動(dòng)電壓時(shí)，全橋隔離DC-DC變換器傳統(tǒng)閉環(huán)控制 的波形圖。
[0030] 圖8輸入電壓含有40V/100化脈動(dòng)電壓時(shí)，全橋隔離DC-DC變換器直接功率控制 的波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合本發(fā)明的技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0032] W單相移控制方法為例，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)全橋隔離DC-DC變換器直接功率控制方法的 系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，全橋隔離DC/DC變換器由2個(gè)全橋變換器、1個(gè)輔助電感k、2 個(gè)直流側(cè)支撐電容。、C2、1個(gè)高頻隔離變壓器組成，其中R為變換器等效負(fù)載。
[0033] 每個(gè)控制周期開始時(shí)刻，控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊Ol采集輸入電壓Ui。和輸出 電壓U。，然后將輸出電壓實(shí)際值U。與其給定值IT。的誤差通過電壓外環(huán)PI模塊02得到功 率給定值P，然后結(jié)合輸入電壓Um和輸出電壓U。等變量通過相移控制量計(jì)算模塊03獲得 相移控制量D，其計(jì)算公式如式（3)所示，最后通過調(diào)制模塊04得到全橋隔離DC/DC變換器 的脈沖控制信號(hào)，完成變換器直接功率控制。
[0034] 基于RT-LAB和TMS320F28335的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)例中兩個(gè)支 撐電容Cl和C期為1000yF，在測(cè)試脈動(dòng)抑制的情況下：C2=400yF，輔助電感L= 2恤， 變壓器的變比n= 1，開關(guān)頻率fg= 1曲Z，輸入電壓為200V，也可W根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)變換 器的參數(shù)。圖3~圖6分別給出了輸入電壓突增W及突減，采用傳統(tǒng)閉環(huán)控制方法W及直 接功率控制方法的實(shí)驗(yàn)波形圖，結(jié)果表明該直接功率控制控制方法能顯著增加系統(tǒng)對(duì)輸入 電壓擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。在負(fù)載側(cè)支撐電容為400yF的情況下，圖7和圖8分別給出了 輸入電壓含有40V/100化脈動(dòng)電壓時(shí)，傳統(tǒng)閉環(huán)控制方法W及直接功率控制方法的實(shí)驗(yàn)波 形圖，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：直接功率控制方法能夠顯著減小全橋隔離DC/DC變換器輸出電 壓的二倍頻脈動(dòng)分量。
[0035] 在不脫離本發(fā)明思想的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的 情況下，對(duì)其進(jìn)行的關(guān)于形式和細(xì)節(jié)的種種顯而易見的修改或變化均應(yīng)落在本發(fā)明的保護(hù) 范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種應(yīng)用于全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控制方法，用于提高全橋隔離DC-DC 變換器對(duì)輸入電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，使其在輸入電壓突變或波動(dòng)的情況時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出電壓基 本穩(wěn)定；包含如下主要步驟： 通過采集模塊（Ol)得到變換器的輸出電壓U。和輸入電壓值U in，將輸出電壓實(shí)際值U。 與其給定值Ifci的誤差通過電壓外環(huán)PI模塊（02)獲得功率給定值p，由輸出電壓、輸入電 壓值和功率給定值經(jīng)過相移控制量計(jì)算模塊（03)得到相移控制量D，再由調(diào)制模塊（04)根 據(jù)相移控制量生成對(duì)應(yīng)的全橋隔離DC-DC變換器開關(guān)器件脈沖控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)全橋隔 離DC-DC變換器的控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種應(yīng)用于全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控 制方法，其特征在于，所述相移控制量計(jì)算模塊（03)的相移控制量計(jì)算模型為：
【專利摘要】本發(fā)明公開一種應(yīng)用于全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控制方法?；趩蜗嘁瓶刂品椒?，首先建立了相移控制量D的數(shù)學(xué)描述，通過采集模塊01得到變換器的輸出電壓Uo和輸入電壓值Uin，將輸出電壓實(shí)際值Uo與其給定值U*o的誤差通過電壓外環(huán)PI模塊02獲得功率給定值p，由輸出電壓、輸入電壓值和功率給定值經(jīng)過相移控制量計(jì)算模塊03得到相移控制量D，再由調(diào)制模塊04得到開關(guān)控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)全橋隔離DC-DC變換器的控制。該直接功率控制方法能有效提高變換器系統(tǒng)在輸入電壓突變的情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，并且在變換器輸入電壓含有脈動(dòng)的情況下可以減小輸出電壓的電壓脈動(dòng)。
【IPC分類】H02M1/14, H02M3/335
【公開號(hào)】CN105141136
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510552721
【發(fā)明人】宋文勝, 侯聶, 武明義, 葛興來, 馮曉云, 王青元, 熊成林
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月2日