專利名稱：一種雙向直流變換裝置的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙向直流變換裝置的控制方法。
背景技術(shù)：
伴隨著航天電源系統(tǒng)、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車等新能源、新傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，能量可以雙向流動(dòng)的雙向直流變換裝置有著很好的應(yīng)用前景。雙向直流變換裝置通過(guò)直流變換器的雙象限運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。功能上相當(dāng)于兩個(gè)單向直流變換器，可以看做是“一機(jī)兩用，分時(shí)復(fù)用”設(shè)備，廣泛應(yīng)用于需要能量雙向流動(dòng)的場(chǎng)合，適用于UPS系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車以及蓄電池維護(hù)等能量存儲(chǔ)的場(chǎng)合，也適用于系統(tǒng)突變能量的補(bǔ)充。對(duì)這類變換裝置進(jìn)行研究和探討，選擇出合理的電路方案，探討合適的控制策略，研制出高功率密度，高可靠性、高效率、大容量的雙向直流變換裝置，具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。圖1給出了經(jīng)典的雙向直流變換裝置拓?fù)鋱D。如圖1所示，雙向直流變換裝置經(jīng)典的控制策略為獨(dú)立PWM控制策略。獨(dú)立PWM控制策略是Buck電路和Boost電路的分時(shí)復(fù)用當(dāng)所需的功率流向?yàn)檎驎r(shí)，如圖2 (a)所示，按照?qǐng)D2 (b)的控制策略，通過(guò)向下管Sd的控制端輸入PWM控制信號(hào),控制下管Sd開(kāi)關(guān)動(dòng)作；同時(shí),上管Su的控制端輸入高阻信號(hào)，使得Su不導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)可靠封鎖；此時(shí)電路等效于單向Boost電路；
當(dāng)所需的功率流向?yàn)榉聪驎r(shí)，如圖2 (C)所示，仍按照?qǐng)D2 (b)的控制策略，通過(guò)向上管Su的控制端輸入PWM控制信號(hào)，控制上管Su開(kāi)關(guān)動(dòng)作，同時(shí)，下管Sd的控制端輸入高阻信號(hào)，使得Sd不導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)可靠封鎖；此時(shí)，電路等效于單向Buck電路。此種控制策略控制簡(jiǎn)單，同一時(shí)刻只需要控制一個(gè)開(kāi)關(guān)管即可。但此種控制策略在負(fù)載較小時(shí)，電感上的電流較小，由于電流是脈動(dòng)的，其可能越過(guò)零點(diǎn)，但是當(dāng)前另一個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，從而電流呈斷續(xù)狀態(tài)，如圖3所示。電流連續(xù)時(shí)，占空比計(jì)算方式為,其中Ua和Ub為雙向直流變換裝置兩端電
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壓；電流斷續(xù)時(shí)，占空比計(jì)算方式為, = — ( δ代表二極管的續(xù)流時(shí)間)。因此，若需
UH -0 I
要彌補(bǔ)電流斷續(xù)時(shí)的不足，需要根據(jù)占空比計(jì)算方式設(shè)計(jì)電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩套控制系統(tǒng)，分別用于電流較大和電流較小的情況，并檢測(cè)電流連續(xù)、斷續(xù)狀態(tài)。另外，當(dāng)功率流向切換時(shí)，即圖2 (a)和圖2 (C)之間的切換需要停止當(dāng)前開(kāi)關(guān)管，并保持一定的死區(qū)時(shí)間，再開(kāi)通另外一個(gè)開(kāi)關(guān)管。相當(dāng)于兩個(gè)模式的切換，需要停止當(dāng)前模式，轉(zhuǎn)換到另一個(gè)模式，控制系統(tǒng)CPU處理所需時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，不適用于功率流向切換頻繁、高效率的場(chǎng)合。此外，傳統(tǒng)的雙向直流變換裝置在大功率場(chǎng)合多采用多重主電路并聯(lián)的方式，如附圖4。多重并聯(lián)主電路按照驅(qū)動(dòng)PWM之間的相位關(guān)系，分為直接并聯(lián)如附圖5 (a)和完全交錯(cuò)并聯(lián)如附圖5 (b)兩種。直接并聯(lián)方式就是在一個(gè)周期內(nèi)，各橋臂的控制信號(hào)相位是相同的，圖5 (a)只示出了上管的控制策略。直接并聯(lián)方式運(yùn)行可靠，但η重直接并聯(lián)，電流脈動(dòng)直接疊加，總電流脈動(dòng)為η重電流脈動(dòng)的和，隨著并聯(lián)重?cái)?shù)增加電流紋波疊加導(dǎo)致輸出電流紋波增大，同時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也增大。完全交錯(cuò)并聯(lián)方式就是在一個(gè)周期內(nèi)，各橋臂的控制信號(hào)相位相差360° /η，η為并聯(lián)的橋臂數(shù)量，圖5 (b)只示出了上管的控制策略。完全交錯(cuò)并聯(lián)方式可以有效地減少電流紋波，降低開(kāi)關(guān)損耗，從而提高工作效率，降低電磁干擾，但驅(qū)動(dòng)波形需要交錯(cuò)的角度為360° /n，并聯(lián)重?cái)?shù)較多的情況，交錯(cuò)重?cái)?shù)越多，η越大，電路越復(fù)雜，精確的PWM驅(qū)動(dòng)波形相移不太好產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種雙向直流變換裝置的控制方法，其更適于高壓大功率變換場(chǎng)合，能夠支持功率流向頻繁切換，而且折中開(kāi)關(guān)損耗和電路復(fù)雜度。為了解決上述技術(shù)效果，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種雙向直流變換裝置的控制方法，應(yīng)用于多重主電路并聯(lián)的雙向直流變換裝置；該方法包括如下步驟步驟一計(jì)算雙向直流變換裝置兩端的所需輸入輸出電壓比作為PWM控制信號(hào)的占空比D ;根據(jù)占空比D計(jì)算一個(gè)控制周期 Ts內(nèi)上開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間T1和下開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間T2, T1 = Ts=D,且 T^T2=Ts ；步驟二 在實(shí)際控制時(shí)，將所述雙向直流變換裝置中的其中一路主電路作為參考支路，則對(duì)參考支路的控制為根據(jù)步驟一設(shè)計(jì)的導(dǎo)通時(shí)間T1和T2，在每個(gè)控制周期Ts內(nèi)控制參考支路中的上下開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，且上下開(kāi)關(guān)管每次切換時(shí)均加入預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間Λ進(jìn)行過(guò)渡；則上開(kāi)關(guān)管實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間為T1-A,下開(kāi)關(guān)管實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間T2-A ；對(duì)非參考支路的控制為各非參考支路的控制信號(hào)相同，且均與參考支路的控制號(hào)相差180°。有益效果本發(fā)明兼具半交錯(cuò)并聯(lián)策略及互補(bǔ)PWM控制策略算法的結(jié)合體?；パa(bǔ)PWM控制策略更適用于功率流向切換頻繁的場(chǎng)合，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。( I)相比于獨(dú)立PWM控制方式，本發(fā)明采用在一個(gè)周期Ts內(nèi)同時(shí)控制上下開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，電流較大時(shí)等效于獨(dú)立PWM控制策略，電流較小時(shí)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)Buck狀態(tài)和Boost狀態(tài)切換，從而保證了電流較小時(shí)的電流連續(xù)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以完全按照占空比計(jì)
算方式A = P1來(lái)設(shè)計(jì)，因此只需要一套控制系統(tǒng)即可保證控制精度，從而減小了成本和控
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制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。而且，本發(fā)明可以根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)節(jié)功率流向，不需要模式切換的時(shí)間，因此適用于功率流向切換頻繁、高效率的場(chǎng)合。(2)本發(fā)明在多路并聯(lián)控制上，采用半交錯(cuò)并聯(lián)方式，由兩路主電路交錯(cuò)并聯(lián)，可以在一定程度上減少電流紋波，降低開(kāi)關(guān)損耗，而其他支路直接并聯(lián)，從而減少了交錯(cuò)重?cái)?shù)，降低了電路復(fù)雜度。


圖1為經(jīng)典雙向直流變換裝置拓?fù)洹D2 (a)為獨(dú)立PWM控制方式的Boost工作模式。圖2 (b)為獨(dú)立PWM控制方式的開(kāi)關(guān)管控制策略。圖2 (C)為獨(dú)立PWM控制方式的Buck工作模式。圖3為獨(dú)立PWM控制方式下電感電流斷續(xù)的示意圖。圖4為多重并聯(lián)雙向直流變換裝置拓?fù)?。圖5 (a)為傳統(tǒng)直接并聯(lián)策略的驅(qū)動(dòng)方式。圖5 (b)為傳統(tǒng)全交錯(cuò)并聯(lián)策略的驅(qū)動(dòng)方式。圖6為本發(fā)明互補(bǔ)PWM控制策略及其電感電流曲線。圖7為本發(fā)明互補(bǔ)PWM控制策略下的電路工作模式。圖7 (a) 圖7 (d)示出了一個(gè)周期內(nèi)四個(gè)階段的電路工作模式。圖8 為本發(fā)明半交錯(cuò)多重并聯(lián)方式的驅(qū)動(dòng)脈沖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明針對(duì)經(jīng)典的獨(dú)立PWM控制策略，提出互補(bǔ)PWM控制策略，互補(bǔ)PWM控制策略是在一個(gè)周期Ts內(nèi)同時(shí)控制上下開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，電流較大時(shí)等效于獨(dú)立PWM控制策略，電流較小時(shí)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)Buck狀態(tài)和Boost狀態(tài)切換,從而保證了電流較小時(shí)的電流連續(xù)，因此只需要一套控制系統(tǒng)即可保證控制精度。而且，對(duì)于功率較大的場(chǎng)合，雙向直流變換裝置的開(kāi)關(guān)器件(功率開(kāi)關(guān)管、續(xù)流二極管、能量傳遞電感)承受著高的電壓電流應(yīng)力，造成嚴(yán)重的輻射和傳導(dǎo)EMI，同時(shí)對(duì)于器件可靠性要求高，選擇器件困難，成本較高，而且還存在大的電壓變化率(dv/dt)和電流變化率(di/dt)。因此，功率較大的場(chǎng)合需要提供大功率輸出的方案。多重并聯(lián)主電路(圖4)是最為有效合理的方式，與器件串并聯(lián)相比，并聯(lián)主電路在滿足功率要求的同時(shí)還可以提高等效開(kāi)關(guān)頻率，與多臺(tái)變換裝置并聯(lián)相比，除提高等效開(kāi)關(guān)頻率外，只需要一套控制電路，更為節(jié)約成本，減小裝置體積。傳統(tǒng)的多重并聯(lián)雙向直流變換裝置為η重直接并聯(lián)或者η重完全交錯(cuò)并聯(lián)，本發(fā)明采用半交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，即其中的2重采用交錯(cuò)并聯(lián)，其余的支路直接并聯(lián)。這樣采用多重并聯(lián)雙向直流變換裝置交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)解決了 η重直接并聯(lián)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率過(guò)低的問(wèn)題，使系統(tǒng)等效開(kāi)關(guān)頻率成倍提高，同時(shí)也兼顧了可靠性。下面結(jié)合附圖5 附圖8對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的控制對(duì)象就是圖4示出的多重并聯(lián)雙向直流變換裝置。為了清楚說(shuō)明控制策略。下面分兩步進(jìn)行描述(1)先說(shuō)明單重的控制策略，(2)再說(shuō)明多重之間的配合控制策略。( I)單重的控制策略
圖6為互補(bǔ)PWM控制策略的控制信號(hào)和電感電流示意圖。如圖5所示，互補(bǔ)PWM控制策略非常簡(jiǎn)單，就是在一個(gè)控制周期Ts內(nèi)交替控制上下開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，其中，上開(kāi)關(guān)管Su的控制導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)為Tl，下開(kāi)關(guān)管Sd的控制導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)為T2，Tl+T2=Ts。下面對(duì)一個(gè)控制周期內(nèi)的主電路的工作模式進(jìn)行分階段描述。其中，將一個(gè)周期分為四階段，則得到5個(gè)時(shí)間點(diǎn)V V t2、t3、t4,其中，為每個(gè)Ts的起始，t2-t0=Tl,t4-t2=T2。h時(shí)刻，通過(guò)HVM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制上管Su導(dǎo)通，下管Sd關(guān)斷；t2時(shí)刻，通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制上管Su關(guān)斷，下管Sd導(dǎo)通；t4是一個(gè)周期的結(jié)束也是下一個(gè)周期的開(kāi)始，h和t3是上管和下管因二極管續(xù)流出現(xiàn)的自然通斷動(dòng)作，并非通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，下面結(jié)合圖7會(huì)更清楚的說(shuō)明。1) t=t0時(shí)，電感電流Ilj負(fù)向最大點(diǎn)，Sd關(guān)斷,二極管Du開(kāi)始續(xù)流，Su雖然被驅(qū)動(dòng)信號(hào)打開(kāi)，但不走電流；t0<t<t!時(shí)，Du導(dǎo)通，電感電流Il由反并聯(lián)二極管Du續(xù)流,持續(xù)時(shí)間d4 ；2) t=ti時(shí)，電感電流Il由負(fù)變正過(guò)零點(diǎn)，Du自然關(guān)斷，Su開(kāi)始走電流,也就是h時(shí)刻，Su才真正導(dǎo)通；時(shí)，Su持續(xù)導(dǎo)通，電路工作于Buck方式。電壓Ub加到二極管Dd和電感L和電容CA上，由于電容CA電壓保持不變，因此加在電感的電壓為UB-UA。因?yàn)閁B>UA，故電感電流L線性增長(zhǎng)，電能存儲(chǔ)在電感L中，對(duì)Ua充電，持續(xù)時(shí)間dl ；3) t=t2時(shí)，電感電流正向最大點(diǎn)，Su關(guān)斷,二極管Dd開(kāi)始續(xù)流，Sd雖然被驅(qū)動(dòng)信號(hào)打開(kāi)，但不走電流；t2〈t〈t3時(shí)，Dd導(dǎo)通，電感電流由反并聯(lián)二極管Dnd續(xù)流,持續(xù)時(shí)間d2 ；4) t = t3時(shí)，電感電流由正變負(fù)過(guò)零，Dd自然關(guān)斷，Sd開(kāi)始走電流,也就是t3時(shí)亥lj，Sd才真正導(dǎo)通；t3〈t〈t4時(shí)，Sd持續(xù)導(dǎo)通，電路工作于Boost方式。Ua全部加到電感L上，電感電流線性增長(zhǎng)，電能存儲(chǔ)在電感L中。Dd截止，負(fù)載由電容CB供電，持續(xù)時(shí)間d3 ；5) t=t4時(shí)，電感電流負(fù)向最大點(diǎn)，Sd關(guān)斷，Du開(kāi)始續(xù)流；上述5個(gè)階段不斷循環(huán)。上面對(duì)一個(gè)周期的解釋是在電感電流會(huì)穿過(guò)零點(diǎn)的假設(shè)下進(jìn)行的。在實(shí)際中，込的方向是由負(fù)載決定的，當(dāng)正向負(fù)載電流大到零點(diǎn)以上時(shí)，沒(méi)有tl和t3的變化，當(dāng)負(fù)向負(fù)載電流大到零點(diǎn)以下時(shí)，也沒(méi)有tl和t3的變化。由于電感電流不能突變，電感吸收的能量等于釋放的能量，列寫電感電壓方程Buck 狀態(tài)下
權(quán)利要求
1. 一種雙向直流變換裝置的控制方法，應(yīng)用于多重主電路并聯(lián)的雙向直流變換裝置；其特征在于，包括 步驟一計(jì)算雙向直流變換裝置兩端的所需輸入輸出電壓比作為PWM控制信號(hào)的占空比D ;根據(jù)占空比D計(jì)算一個(gè)控制周期Ts內(nèi)上開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間T1和下開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間T2,T1ITs=D, T^T2=Ts ； 步驟二 在實(shí)際控制時(shí)，將所述雙向直流變換裝置中的其中一路主電路作為參考支路，則 對(duì)參考支路的控制為根據(jù)步驟一設(shè)計(jì)的導(dǎo)通時(shí)間T1和T2，在每個(gè)控制周期Ts內(nèi)控制參考支路中的上下開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，且上下開(kāi)關(guān)管每次切換時(shí)均加入預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間A進(jìn)行過(guò)渡；則上開(kāi)關(guān)管實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間為T1-A，下開(kāi)關(guān)管實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間T2-A ； 對(duì)非參考支路的控制為各非參考支路的控制信號(hào)相同，且均與參考支路的控制信號(hào)相差180°。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雙向直流變換裝置的控制方法，其更適于高壓大功率變換場(chǎng)合，能夠支持功率流向頻繁切換，而且折中開(kāi)關(guān)損耗和電路復(fù)雜度。首先根據(jù)所需的PWM控制信號(hào)占空比D計(jì)算一個(gè)控制周期Ts內(nèi)上開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間T1和下開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間T2，T1:TS=D；在實(shí)際控制時(shí)，將所述雙向直流變換裝置中的其中一路主電路作為參考支路，對(duì)參考支路的控制為在每個(gè)控制周期Ts內(nèi)控制參考支路中的上下開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，且上下開(kāi)關(guān)管每次切換時(shí)均加入死區(qū)時(shí)間Δ進(jìn)行過(guò)渡；則上開(kāi)關(guān)管實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間為T1-Δ，下開(kāi)關(guān)管實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間T2-Δ；對(duì)非參考支路的控制為各非參考支路的控制信號(hào)相同，且均與參考支路的控制信號(hào)相差180°。
文檔編號(hào)H02M3/156GK103036433SQ20121053523
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者霍雪嬌, 張花, 王天亮, 俞凱, 朱明星, 黃堯 申請(qǐng)人:北京動(dòng)力機(jī)械研究所