一種應用于全橋隔離dc-dc變換器的直接功率控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及全橋隔離DC-DC變換器（包含多電平全橋隔離DC-DC變換器）的控制 系統設計與制造領域。
【背景技術】
[0002] 在20實際90年代初，全橋隔離DC-DC變換器拓撲被學者提出來。隨著新能源變 流技術的迅速發展，因其具有電氣隔離、功率密度高、能量能雙向流動W及模塊級聯容易等 優點，受到了越來越廣泛的關注。在新能源變換系統中，全橋隔離DC/DC變換器應用于分布 式發電的微型電網、電動汽車和一些能量存儲系統中來滿足不同等級電壓的變換W及能量 的雙向傳輸的需要。此外，在在高速列車的發展趨勢中，輕量化與高功率密度化是實現高速 列車更高速度、高效節能的關鍵技術之一。為了提升牽引傳動系統的功率密度，取消機車上 的工頻牽引變壓器，大功率級聯多電平H橋整流器與全橋隔離DC/DC變換器相結合的中高 頻變壓器機車也成為了當前研究的熱點。
[0003] 總所周知，在上述能量變換系統中，變換器需要有優良的動態響應性能來提高變 換器系統的魯棒性，因此提升變換器的動態響應速度也是變換器的一個重要目標。此外，在 交流傳動系統的應用中，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存在二倍電網頻率的電壓脈動，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，如果該二倍頻脈動的輸入電壓會引起全橋DC-DC變換器的輸出電 壓脈動，則最終會導致DC-DC變換器后級牽引逆變器-電機系統出現拍頻現象，惡化牽引電 機的轉矩和定子電流性能，甚至引起電機過熱而損壞。因此，在輸入電壓含有脈動情況下， 如何優化全橋隔離DC/DC變換器的控制方法，達到減小輸入脈動電壓對輸出電壓的影響是 非常必要的。縱觀已有資料，關于全橋隔離DC/DC變換器輸入電壓突變和輸入電壓含有脈 動的控制方法報道較少。
【發明內容】
[0004] 鑒于現有技術的W上缺點，W單相移控制方法為例，本發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的情況 下，提高變換器系統的動態響應性能。該直接功率控制方法能夠顯著提高變換器對輸入突 變的動態響應性能，并且在輸入電壓含有二倍頻電壓脈動的情況下減小輸出電壓的二倍頻 脈動。 陽〇化]本發明實現其發明目的是通過如下技術方案實現的。
[0006] 一種應用于全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控制方法，用于提高全橋隔離 DC-DC變換器對輸入電壓的動態響應性能，使其在輸入電壓突變或波動的情況時實現輸出 電壓基本穩定；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。，將輸出電壓實際值U。與其給定值IT。的誤差通過電壓外環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過相移控制量計算模塊03得到相移控制量D，再由調制模塊04根據 相移控制量生成對應的全橋隔離DC-DC變換器開關器件脈沖控制信號，從而實現全橋隔離 DC-DC變換器的控制。
[0008] 運樣，應用本發明全橋隔離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學模型，實現 功率的直接控制，得到相移控制量的大小，生成開關控制信號，最終完成全橋隔離DC-DC變 換器的控制。
[0009] 所述相移控制量計算模塊03的相移控制量計算模型的獲得是基于W下的分析處 理：
[0010] 首先，針對單相移控制方法，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\為開關頻率；n為隔離變壓器變比。
[0013] 對于全橋隔離DC/DC變換器電感參數L變壓器變比nW及開關周期Ts可近似視 為常數，則全橋隔離DC/DC變換器的輸出功率可W進一步表示為
[0014]
(2)
[0015] 根據式似，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，根據求解得相移控制量D，通過調制模塊04可獲得開關控制信號，從而完成 全橋隔離DC-DC變換器的相移控制。
[0019] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0020] 一、在輸入電壓發生突變時，輸出電壓基本保持不變，顯著提高了變換器在輸入電 壓突變時的動態響應性能。
[0021] 二、在輸入電壓含有二倍脈動時，能夠顯著減小輸出電壓的的二倍脈動分量。 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變換器傳統閉環控制的波形 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變換器傳統閉環控制的波形 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化脈動電壓時，全橋隔離DC-DC變換器傳統閉環控制 的波形圖。
[0030] 圖8輸入電壓含有40V/100化脈動電壓時，全橋隔離DC-DC變換器直接功率控制 的波形圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合本發明的技術方案和附圖詳細敘述本發明的【具體實施方式】。
[0032] W單相移控制方法為例，本發明實現全橋隔離DC-DC變換器直接功率控制方法的 系統框圖如圖1所示。其中，全橋隔離DC/DC變換器由2個全橋變換器、1個輔助電感k、2 個直流側支撐電容。、C2、1個高頻隔離變壓器組成，其中R為變換器等效負載。
[0033] 每個控制周期開始時刻，控制系統通過數據采集模塊Ol采集輸入電壓Ui。和輸出 電壓U。，然后將輸出電壓實際值U。與其給定值IT。的誤差通過電壓外環PI模塊02得到功 率給定值P，然后結合輸入電壓Um和輸出電壓U。等變量通過相移控制量計算模塊03獲得 相移控制量D，其計算公式如式（3)所示，最后通過調制模塊04得到全橋隔離DC/DC變換器 的脈沖控制信號，完成變換器直接功率控制。
[0034] 基于RT-LAB和TMS320F28335的硬件在環實驗平臺，本發明的系統實例中兩個支 撐電容Cl和C期為1000yF，在測試脈動抑制的情況下：C2=400yF，輔助電感L= 2恤， 變壓器的變比n= 1，開關頻率fg= 1曲Z，輸入電壓為200V，也可W根據具體情況設計變換 器的參數。圖3~圖6分別給出了輸入電壓突增W及突減，采用傳統閉環控制方法W及直 接功率控制方法的實驗波形圖，結果表明該直接功率控制控制方法能顯著增加系統對輸入 電壓擾動的動態響應速度。在負載側支撐電容為400yF的情況下，圖7和圖8分別給出了 輸入電壓含有40V/100化脈動電壓時，傳統閉環控制方法W及直接功率控制方法的實驗波 形圖，對比實驗結果表明：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 壓的二倍頻脈動分量。
[0035] 在不脫離本發明思想的情況下，本領域技術人員在不偏離本發明的范圍和精神的 情況下，對其進行的關于形式和細節的種種顯而易見的修改或變化均應落在本發明的保護 范圍內。
【主權項】
1. 一種應用于全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控制方法，用于提高全橋隔離DC-DC 變換器對輸入電壓的動態響應性能，使其在輸入電壓突變或波動的情況時實現輸出電壓基 本穩定；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，將輸出電壓實際值U。 與其給定值Ifci的誤差通過電壓外環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過相移控制量計算模塊（03)得到相移控制量D，再由調制模塊（04)根 據相移控制量生成對應的全橋隔離DC-DC變換器開關器件脈沖控制信號，從而實現全橋隔 離DC-DC變換器的控制。2. 根據權利要求1所述一種應用于全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控 制方法，其特征在于，所述相移控制量計算模塊（03)的相移控制量計算模型為：
【專利摘要】本發明公開一種應用于全橋隔離DC-DC變換器的直接功率控制方法。基于單相移控制方法，首先建立了相移控制量D的數學描述，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，將輸出電壓實際值Uo與其給定值U*o的誤差通過電壓外環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過相移控制量計算模塊03得到相移控制量D，再由調制模塊04得到開關控制信號，從而實現全橋隔離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在輸入電壓突變的情況下的動態響應性能，并且在變換器輸入電壓含有脈動的情況下可以減小輸出電壓的電壓脈動。
【IPC分類】H02M1/14, H02M3/335
【公開號】CN105141136
【申請號】CN201510552721
【發明人】宋文勝, 侯聶, 武明義, 葛興來, 馮曉云, 王青元, 熊成林
【申請人】西南交通大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年9月2日