[發(fā)明專利]一種雙向諧振變換器的高效率控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011232597.4
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112436728B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 方支劍;董翰林;岳浩江;謝非;孫皓天;魏治國
• 申請（專利權(quán)）人: 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）
• 主分類號: H02M3/28
• 分類號: H02M3/28;H02M3/335;H02M1/088
• 代理公司: 武漢知產(chǎn)時代知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42238
• 代理人: 龔春來

1.一種雙向諧振變換器的高效率控制方法，用于一種雙向諧振變換器的高效率控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

第一輸入電源(1)、第一濾波電路(2)、第一逆變/整流電路(3)、諧振電路(4)、高頻變壓器(5)、第二逆變/整流電路(6)、第二濾波電路(7)、第二輸入電源(8)、第一電壓電流采集電路(91)、第二電壓電流采集電路(92)、第一控制器(101)、第二控制器(102)、第一驅(qū)動電路(111)、以及第二驅(qū)動電路(112)；

第一輸入電源(1)的輸出端連接第一濾波電路(2)的輸入端，第一濾波電路(2)的反饋端與第一電壓電流采集電路(91)的輸入端相連；第一電壓電流采集電路(91)的輸出端連接第一控制器(101)的輸入端，第一控制器(101)的輸出端連接驅(qū)動電路(111)，第一驅(qū)動電路(111)的輸出端連接第二逆變/整流電路(6)的第一輸入端；

第一濾波電路(2)的輸出端與第一逆變/整流電路(3)的第一輸入端相連，諧振電路(4)的輸入端與第一逆變/整流電路(3)的輸出端相連，諧振電路(4)的輸出端與高頻變壓器(5)的輸入端相連；高頻變壓器(5)輸出端與第二逆變/整流電路(6)的第二輸入端相連；第二逆變/整流電路(6)輸出端與第二濾波電路(7)輸入端相連；第二濾波電路(7)的輸出端用于與第二輸入電源(8)相連，第二濾波電路(7)的反饋端與第二電壓電流采集電路(92)的輸入端相連；第二電壓電流采集電路(92)的輸出端連接至第二控制器(102)的輸入端，第二控制器(102)的輸出端連接至第二驅(qū)動電路(112)的輸入端，第二驅(qū)動電路(112)的輸出端與第一逆變/整流電路(3)第二輸入端相連；

所述雙向串聯(lián)諧振變換器的高頻間歇控制系統(tǒng)使直流電進(jìn)行雙向流動，其中，能量從第一輸入電源(1)向第二輸入電源(8)傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ綖檎騻鬏斈Ｊ剑芰繌牡诙斎腚娫?8)向第一輸入電源(1)傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ綖榉聪騻鬏斈Ｊ剑?/p>

所述的第一濾波電路(2)為一個直流濾波電容C₁，第一逆變/整流電路(3)開關(guān)管S₃的管腳2與開關(guān)管S₄的管腳1相連后用于連接在第一濾波電路(2)的兩端，其中，開關(guān)管S₁與S₃的管腳1用于連接濾波電容C₁的正極，開關(guān)管S₁與S₃的管腳2用于連接濾波電容C₁的負(fù)極，第一濾波電路(2)用于在反向傳輸模式中濾除整流電路輸出的電流中的諧波，為第一輸入電源提供平穩(wěn)的直流能量；

所述的第一逆變/整流電路(3)包含四個相同的開關(guān)管S₁～S₄，各個開關(guān)管S₁-S₄的管腳1和管腳2之間分別連接一組并聯(lián)的二極管和緩沖電容，其中二極管的陽極連接對應(yīng)開關(guān)管的管腳2，陰極連接對應(yīng)開關(guān)管的管腳1，開關(guān)管S₁的管腳2與開關(guān)管S₂的管腳1相連后用于連接在第一輸入電源(1)的兩輸出端之間，開關(guān)管S₃的管腳2與開關(guān)管S₄的管腳1相連后用于連接在第一輸入電源(1)的兩輸出端之間；其中，開關(guān)管S₁與S₃的管腳1用于連接第一輸入電源(1)和反向?yàn)V波電容C₁的正極，開關(guān)管S₂與S₄的管腳2用于連接第一輸入電源(1)和反向?yàn)V波電容C₁的負(fù)極，開關(guān)管S₁-S₄選用的類型包括MOSFET、BJT以及IGBT；

所述的諧振電路(4)采用包含電感和電容的串聯(lián)LC諧振電路，串聯(lián)LC諧振電路包含一個諧振電感L_r和一個諧振電容C_r，諧振電容C_r的一端連接第一逆變/整流電路(3)的開關(guān)管S₁的管腳2，另一端串聯(lián)諧振電感L_r，L_r的另一端同開關(guān)管S₃的管腳2連接高頻變壓器(5)原邊的一端；

所述的高頻變壓器(5)為高頻隔離變壓器，高頻隔離變壓器原邊的一端連接諧振電感L_r和開關(guān)管S₃的管腳2，原邊的另一端連接至第三開關(guān)管S₃和第四開關(guān)管S₄的連接端，在第一逆變/整流電路(3)輸出方波電壓的激勵下，諧振電路(4)的諧振電感L_r、諧振電容C_r與高頻隔離變壓器原邊的等效勵磁電感產(chǎn)生近似正弦的高頻諧振電流，通過高頻隔離變壓器原邊傳輸?shù)狡涓边叄?/p>

所述的第二逆變/整流電路(6)共有四個相同的開關(guān)管S₅～S₈，各個開關(guān)管S₅-S₈的管腳1和管腳2之間分別連接一組并聯(lián)的二極管和緩沖電容，其中二極管的陽極連接對應(yīng)開關(guān)管的管腳2，陰極連接對應(yīng)開關(guān)管的管腳1，開關(guān)管S₅的管腳2與開關(guān)管S₆的管腳1相連后用于連接在第二輸入電源(2)的兩輸出端之間，開關(guān)管S₇的管腳2與開關(guān)管S₈的管腳1相連后用于連接在第二輸入電源(2)的兩輸出端之間；其中，開關(guān)管S₅與S₇的管腳1與管腳2用于連接高頻變壓器(5)的輸出端，S₅和S₈的管腳1用于連接第二輸入電源(8)和濾波電容C₂的正極，S₆和S₇的管腳2用于連接第二輸入電源(8)和濾波電容C₂的負(fù)極，開關(guān)管S₅-S₈的類型包括MOSFET、BJT以及IGBT；

所述的第二濾波電路(7)為一個直流濾波電容C₂，第二逆變/整流電路(6)開關(guān)管S₇的管腳2與開關(guān)管S₈的管腳1相連后用于連接在第二濾波電路(7)的兩端，其中，開關(guān)管S₅與S₇的管腳1用于連接濾波電容C₂的正極，開關(guān)管S₆與S₈的管腳2用于連接濾波電容C₂的負(fù)極，第二濾波電路(7)用于在正向傳輸模式中濾除整流電路輸出的電流中的諧波，為第二輸入電源(8)提供平穩(wěn)的直流能量，其特征在于，包含如下步驟：

S101：采集第一輸入電源(1)的電壓值V₁、第一逆變/整流電路(3)輸出的電流值I₁，以及第二輸入電源(8)的電壓值V₂、第二逆變/整流電路(6)輸出的電流值I₂，通過控制器計(jì)算得到第一逆變/整流電路(3)輸出的功率P₁和第二逆變/整流電路(6)輸出的功率P₂；

S102：判斷參考功率P_ref的正負(fù)，若P_ref＞0，變換器正向工作，轉(zhuǎn)步驟S103，P_ref＜0，變換器反向工作，轉(zhuǎn)步驟S104,其中，P_ref為輸出功率設(shè)定值；

S103：判斷V₁和nV₂的大小關(guān)系，若V₁≤nV₂，變換器正向升壓，轉(zhuǎn)步驟S105，若V₁＞nV₂，變換器正向降壓，轉(zhuǎn)步驟S107；

S104：判斷V₁和nV₂的大小關(guān)系，若V₁≤nV₂，變換器反向降壓，轉(zhuǎn)步驟S112，若V₁＞nV₂，變換器反向升壓，轉(zhuǎn)步驟S106；

S105：根據(jù)公式D₁＝K_p1e₁+K_i1×(∫e₁dt+C₁)獲得占空比指令D₁，生成占空比為D₁，工作頻率為2f_r的PWM信號，用于控制開關(guān)S₆和S₈，同時生成占空比為0.5，工作頻率為f_r的PWM信號，用于控制開關(guān)S₁～S₄，其中，S₁、S₄同相，S₂、S₃同相，S₁、S₄和S₂、S₃相位互補(bǔ)，其在切換時考慮一定死區(qū)時間；S₆、S₈在T_s的前半段時間內(nèi)與S₁、S₄同相位，在T_s的后半段時間內(nèi)與S₂、S₃同相位，轉(zhuǎn)步驟S117；

其中，f_r為諧振頻率，T_s為工作周期，e₁為功率誤差，e₁＝P_ref－P₂；K_p1和K_i1分別為輸出功率比例系數(shù)和輸出功率積分系數(shù)，t為時間，C₁為積分常數(shù)，當(dāng)前拍計(jì)算下的C₁值為上一拍計(jì)算的積分∫e₁dt+C₁的值，第一次計(jì)算時C₁＝0，P₂為第二逆變/整流電路(6)的輸出功率值，P_ref為輸出功率設(shè)定值；

S106：根據(jù)公式D₁＝K_p1e₁+K_i1×(∫e₁dt+C₁)獲得占空比指令D₁，生成占空比為D₁，工作頻率為2f_r的PWM信號，用于控制開關(guān)S₂和S₄，同時生成占空比為0.5，工作頻率為f_r的PWM信號，用于控制開關(guān)S₅～S₈，其中，S₅、S₈同相，S₆、S₇同相，S₅、S₈和S₆、S₇相位互補(bǔ)，其在切換時考慮一定死區(qū)時間；S₂、S₄在T_s的前半段時間內(nèi)與S₅、S₈同相位，在T_s的后半段時間內(nèi)與S₆、S₇同相位，轉(zhuǎn)步驟S117；

其中，f_r為諧振頻率，T_s為工作周期，e₁為功率誤差，e₁＝P_ref－P₁；K_p1和K_i1分別為輸出功率比例系數(shù)和輸出功率積分系數(shù)，t為時間，C₁為積分常數(shù)，當(dāng)前拍計(jì)算下的C₁值為上一拍計(jì)算的積分∫e₁dt+C₁的值，第一次計(jì)算時C₁＝0，P₁為第一逆變/整流電路(3)的輸出功率值，P_ref為輸出功率設(shè)定值；

S107：根據(jù)公式f_s＝K_p2e₂+K_i2×(∫e₂dt+C₂)獲得工作頻率頻率信號f_s，取f_min和f_s的最大值，記為f，轉(zhuǎn)步驟S108；

其中，f_min是最小的工作頻率，e₂為功率誤差，e₂＝P_ref－P₂；K_p2為輸出功率比例系數(shù)，K_i2為輸出功率積分系數(shù)，t為時間，C₂為積分常數(shù)，當(dāng)前拍計(jì)算下的C₂值為上一拍計(jì)算的積分∫e₂dt+C₂的值，第一次計(jì)算時C₂＝0，P₂為第二逆變/整流電路(6)的輸出功率值，P_ref為輸出功率設(shè)定值；

S108：判斷f_r、f_s以及f_min的關(guān)系，若f_s＞f_r/2，轉(zhuǎn)步驟S109；f_s≤f_r/2，轉(zhuǎn)步驟S110；f_s≤f_min，轉(zhuǎn)步驟S111；

其中，f_s為步驟S107所獲得的工作頻率，f_r為諧振頻率，f_min是最小的工作頻率；

S109：通過公式g(f_s，D₂₁)得到高功率級降壓模式的占空比信號D₂₁，D₂₁與f共同生成占空比為D₂₁，開關(guān)頻率為f的PWM信號，用于驅(qū)動開關(guān)S₁～S₄工作，產(chǎn)生的PWM信號為：每個開關(guān)周期開始時，S₁導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₁T_s，S₂和S₁互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間；S₃在T_s的后半周期開始時導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₁T_s，S₄和S₃互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間，轉(zhuǎn)步驟S117；

其中，f為步驟S107取得的最大值，T_s為工作周期，g(f_s，D₂₁)表達(dá)式為：

n為高頻變壓器(5)的變比，V₂為第二輸入電源(8)的電壓，V₁為第一輸入電源(1)的電壓，f_s為步驟S107所獲得的工作頻率，f_r為諧振頻率；

S110：由D₂₂＝f_s/(2f_r)得到中功率級降壓模式的占空比信號D₂₂，D₂₂與f共同生成占空比為D₂₂，開關(guān)頻率為f的PWM信號，用于驅(qū)動開關(guān)S₁～S₄工作，產(chǎn)生的PWM信號為：每個開關(guān)周期開始時，S₁導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₂T_s，S₂和S₁互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間；S₃在T_s的后半周期開始時導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₂T_s，S₄和S₃互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間，轉(zhuǎn)步驟S117；

其中，fs為步驟S107所獲得的工作頻率，f_r為諧振頻率，f為步驟S107取得的最大值，T_s為工作周期；

S111：由公式D₂₃＝K_p3e₂+K_i3×(∫e₂dt+C₃)獲得占空比信號D₂₃，D₂₃與f共同生成占空比為D₂₃，開關(guān)頻率為f的PWM信號，用于驅(qū)動開關(guān)S₁～S₄工作，產(chǎn)生的PWM信號為：每個開關(guān)周期開始時，S₁導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₃T_s，S₂和S₁互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間；S₃在T_s的后半周期開始時導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₃T_s，S₄和S₃互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間，轉(zhuǎn)步驟S117；

其中，f為步驟S107取得的最大值，T_s為工作周期，e₃為功率誤差，e₃＝P_ref－P₂；K_p3為輸出功率比例系數(shù)，K_i3為輸出功率積分系數(shù)，t為時間，C₃為積分常數(shù)，當(dāng)前拍計(jì)算下的C₃值為上一拍計(jì)算的積分∫e₃dt+C₃的值，第一次計(jì)算時C₃＝0，P₂為第二逆變/整流電路(6)的輸出功率值，P_ref為輸出功率設(shè)定值；

S112：根據(jù)公式f_s＝K_p2e₂+K_i2×(∫e₂dt+C₂)獲得工作頻率頻率信號f_s，取f_min和f_s的最大值，記為f，轉(zhuǎn)步驟S113；

其中，f_min是最小的工作頻率，e₂為功率誤差，e₂＝P_ref－P₂；K_p2為輸出功率比例系數(shù)，K_i2為輸出功率積分系數(shù)，t為時間，C₂為積分常數(shù)，當(dāng)前拍計(jì)算下的C₂值為上一拍計(jì)算的積分∫e₂dt+C₂的值，第一次計(jì)算時C₂＝0，P₂為第二逆變/整流電路(6)的輸出功率值，P_ref為輸出功率設(shè)定值；

S113：判斷f_r、f_s以及f_min的關(guān)系，若f_s＞f_r/2，轉(zhuǎn)步驟S114；f_s≤f_r/2，轉(zhuǎn)步驟S115；f_s≤f_min，轉(zhuǎn)步驟S116；

其中，f_s為步驟S112所獲得的工作頻率，fr為諧振頻率，f_min是最小的工作頻率；

S114：通過公式g(f_s，D₂₁)得到高功率級降壓模式的占空比信號D₂₁，D₂₁與f共同生成占空比為D₂₁，開關(guān)頻率為f的PWM信號，用于驅(qū)動開關(guān)S₅～S₈工作； 產(chǎn)生的PWM信號為：每個開關(guān)周期開始時，S₅導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₁T_s，S₆和S₅互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間；S₇在Ts的后半周期開始時導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₁T_s，S₈和S₇互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間，轉(zhuǎn)步驟S117；

其中，f為步驟S112取得的最大值，T_s為工作周期，g(f_s，D₂₁)表達(dá)式為：

n為高頻變壓器(5)的變比，V₂為第二輸入電源(8)的電壓，V₁為第一輸入電源(1)的電壓，f_s為步驟S112所獲得的工作頻率，f_r為諧振頻率；

S115：由D₂₂＝f_s/(2f_r)得到中功率級降壓模式的占空比信號D₂₂，D₂₂與f共同生成占空比為D₂₂，開關(guān)頻率為f的PWM信號，用于驅(qū)動開關(guān)S₅～S₈工作；產(chǎn)生的PWM信號為：每個開關(guān)周期開始時，S₅導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₂T_s，S₆和S₅互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間；S₇在T_s的后半周期開始時導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₂T_s，S₈和S₇互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間，轉(zhuǎn)步驟S117；

其中，f_s為步驟S112所獲得的工作頻率，f_r為諧振頻率，f為S107取得的最大值，T_s為工作周期；

S116：由公式D₂₃＝K_p3e₂+K_i3×(∫e₂dt+C₃)獲得占空比信號D₂₃，D₂₃與f共同生成占空比為D₂₃，開關(guān)頻率為f的PWM信號，用于驅(qū)動開關(guān)S₅～S₈工作；產(chǎn)生的PWM信號為：每個開關(guān)周期開始時，S₅導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₃T_s，S₆和S₅互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間；S₇在T_s的后半周期開始時導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為D₂₃T_s，S₈和S₇互補(bǔ)導(dǎo)通，在開關(guān)切換時考慮一定死區(qū)時間，轉(zhuǎn)步驟S117；

其中，f為步驟S112取得的最大值，T_s為工作周期，e₃為功率誤差，e₃＝P_ref－P₁；K_p3為輸出功率比例系數(shù)，K_i3為輸出功率積分系數(shù)，t為時間，C₃為積分常數(shù)，當(dāng)前拍計(jì)算下的C₃值為上一拍計(jì)算的積分∫e₃dt+C₃的值，第一次計(jì)算時C₃＝0，P₁為第一逆變/整流電路(3)的輸出功率值，P_ref為輸出功率設(shè)定值；

S117：將PWM信號送給相應(yīng)的開關(guān)管，待傳輸過程完成后結(jié)束工作。