專利名稱：一種用于多模塊dc-dc變換器的功率均分控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法，特別涉及一種用于輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)的隔離式DC-DC變換器的功率均分控制方法，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于用在高壓輸入場合的直流電源，功率器件所承受的高壓問題仍然是一個挑戰(zhàn)，因為能夠承受如此高電壓的功率器件是十分有限的，而且成本非常高。因此，通過選擇正確的拓撲結(jié)構(gòu)來降低功率器件所承受的電壓是十分必要的。通過輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)或者輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)把隔離式DC-DC變換器模塊組合起來，該組合可以適用于高壓輸入場合。其中輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)DC-DC變換器特別適用于輸入輸出電壓均較高且輸入且輸出需要電磁隔離的供電場合，該變換器具有以下的優(yōu)點(1)各個變換器模塊均分承擔(dān)原來的輸入、輸出電壓，從而可以選用電壓應(yīng)力較低的開關(guān)管，而低壓開關(guān)管的導(dǎo)通電阻較小，從而獲得較高的工作效率；(2)可以用耐壓較低的MOSFET來代替耐壓能力高和開關(guān)頻率較低的IGBT，因此變換器的開關(guān)頻率可以提升，提高了變換器的功率密度；(3)整個系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)模塊組成，增加了系統(tǒng)的冗余性和可靠性，同時采用模塊化組合降低了生產(chǎn)周期和成本；為了保證變換器正常工作，必須保證各個模塊均分總的輸入電壓和輸出電壓，否則各模塊間將出現(xiàn)功率不均，輸出功率大的模塊會因為過熱等問題降低系統(tǒng)的可靠性。因此，實現(xiàn)各模塊的功率均分是需要解決的關(guān)鍵問題。針對輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)隔離式DC-DC變換器的控制，IEEE Applied PowerElectronics Conference and Exposition 2004 年發(fā)表 T “Input-series and output-seriesconnected modular DC-DC converters with active input voltage and output voltagesharing"(輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)DC-DC變換器動態(tài)輸入輸出電壓均分)一文提出了一種實現(xiàn)功率均分的方法。對于每個模塊，該方法由輸出電壓環(huán)、輸出電流內(nèi)環(huán)以及每個模塊輸入均壓環(huán)構(gòu)成，為三閉環(huán)控制策略。輸入均壓環(huán)的引入通過采樣每個模塊的瞬時輸入電壓，把所有模塊的輸入電壓取平均值作為每個模塊輸入均壓環(huán)的給定值，同其他給定值選取方法相比可以最大程度的降低各變換器模塊間和一個模塊內(nèi)不同控制回路的交叉影響，這種三閉環(huán)控制方法通過控制輸入均壓從而實現(xiàn)輸出均壓，從而保證各模塊功率均分。然而，這種方法存在以下不足之處(1)系統(tǒng)控制方法采用三閉環(huán)控制方式，控制方法復(fù)雜；(2)由于既要采樣輸入電壓，又要采樣輸出電壓，因此需要大量的電壓傳感器，成本大大增加
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有控制方法的不足，提出了一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法，采用輸出電壓和輸出電流雙閉環(huán)控制，通過占空比重新分配的方式產(chǎn)生各個模塊的PWM信號，達到各模塊的輸出電壓均分，從而實現(xiàn)每個模塊功率均分。由于占空比是一個開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)管通態(tài)時間所占的比率，在數(shù)值上等于調(diào)制波幅值與載波幅值的比值，因此所述占空比重新分配也即調(diào)制波的重新分配。所述多模塊DC-DC變換器的主電路由η個相同的隔離式DC-DC變換器模塊通過輸入端串聯(lián)、輸出端串聯(lián)的形式構(gòu)成，其中η為2或者2以上的數(shù)字，每個模塊的輸出回路上串接有電感，變換器可以是正激、反激、全橋、半橋、推挽或者推挽正激結(jié)構(gòu)的高頻隔離式 DC-DC變換器。本發(fā)明的功率均分控制方法，其步驟為1)確定每個模塊的輸出電壓給定，具體為設(shè)定每個模塊的輸出電壓給定為主電路輸出電壓給定vMf的丄，也即丄Vre/ ；
ηη2)對每個模塊的輸出電壓和輸出電感電流進行采樣，采樣結(jié)果記為每個模塊的輸出電壓分別為V?！?Voj,…，ν。η，每個模塊的輸出電壓經(jīng)過采樣后得到的值分別為 Vofl, ···, Vofj,…，v。fn，每個模塊輸出電感電流分別為im，···, iLfJ,…，iWn，每個模塊輸出電感電流經(jīng)過采樣后得到的值分別為ifl，···，、，…，ifn，也即其中模塊j的輸出電壓為V…經(jīng)過采樣后得到的值為v。fp輸出電感電流為im，經(jīng)過采樣后得到的值為、，其中 1彡j彡η ；3)確定每個模塊電流環(huán)的給定，其中確定模塊j電流環(huán)給定的具體方法為將模塊j的輸出電壓采樣結(jié)果Vrfj與模塊j的輸出電壓給定|vre/進行比較，并經(jīng)過電壓環(huán)調(diào)節(jié)器&。補償以后輸出的作為模塊j電流環(huán)的給定；4)確定每個模塊電流環(huán)的輸出值，其中確定模塊j電流環(huán)的輸出值的具體方法為將模塊j的輸出電感電流采樣結(jié)果ifj與模塊j電流環(huán)給定Ufj進行比較，并經(jīng)電流環(huán)調(diào)節(jié)器Gitj補償且經(jīng)過限幅后輸出的值為i。utj ；5)將通過步驟4)得到的每個模塊電流環(huán)的輸出值i。utl，…，i0UtJ,…，i。utn進行
(1η
重新分配，其中模塊j重新分配后的輸出為=^-(Lhun -iOUtj)，其中1彡j彡η ；
η —Y /=ι6)將步驟幻得到的每個模塊電流環(huán)的輸出值進行重新分配后的輸出作為調(diào)制波與載波進行比較，由比較產(chǎn)生的PWM控制信號控制每個模塊中開關(guān)管的通斷。當(dāng)上述含有η個DC-DC變換器的主電路中任一模塊k失效時，將該模塊從系統(tǒng)中移除，即整個系統(tǒng)由n-1個模塊進行工作，正常工作的n-1個模塊的輸出電壓給定由原先的
|vre/變?yōu)閊T vre/，采用占空比重新分配的控制方法，即對于正常工作的任一模塊j電流環(huán)
ι k-\η
的輸出值重新分配后的輸出為〖_乙+Σ乙-U)，將其作為調(diào)制波與載波進行比較，由比較產(chǎn)生的PWM控制信號控制模塊j開關(guān)管的通斷。當(dāng)上述含有η個DC-DC變換器的主電路中新投入一個模塊加入工作時，整個系統(tǒng)由η+1個模塊進行工作，其中任一模塊j的輸出電壓給定由|vre/變?yōu)椤?vre/，采用占空比重新分配的控制方法，即對于正常工作的任一模塊j電流環(huán)的輸出值重新分配后的輸出為
ι n+\
Lut3=^CLLn-U)，將其作為調(diào)制波與載波進行比較，由比較產(chǎn)生的PWM控制信號控制模塊j開關(guān)管的通斷。整個系統(tǒng)采用這種占空比重新分配的控制方法，達到輸入輸出電壓均分的目的， 從而實現(xiàn)每個模塊功率均分，即使在任意模塊投切的情況下系統(tǒng)仍能正常運行，保證了高頻電源能夠安全穩(wěn)定有效地工作。有益效果本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，采用電壓、電流雙閉環(huán)的控制方式，控制方法簡單；僅需對各個模塊的輸出電壓、輸出電流進行采樣，減少了所用傳感器的數(shù)量，同時也降低對傳感器要求，減少了生產(chǎn)成本；具有冗余投切的功能，可以提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。


圖1本發(fā)明實施例的多模塊DC-DC變換器主電路連接示意圖；圖1中，η為主電路所包含的變換器模塊數(shù)；Vin表示總的輸入直流電壓；Sp iV·· Sn為各模塊與輸入分壓電容并聯(lián)的開關(guān)；cdl、Cd2…Cdn為輸入分壓電容；v。dl、Vcd2-Vcdn為各模塊輸入電壓；iinl、iin2…iinn為各模塊輸入電流；ν。為輸出總電壓；i。為輸出總電流；&、 ν。Ζ··ν。η為各模塊輸出電壓；S' ^ S' ^S' n為各模塊與輸出端濾波電容并聯(lián)的開關(guān)； iLfl>、2…、η為各模塊濾波電感電流；Lfl、LyLftl為各個模塊的輸出濾波電感；Cfl、Cf2-Cfn為各個模塊的輸出濾波電容；圖2本發(fā)明實施例中所采用的功率均分控制方法的示意圖；圖3本發(fā)明實施例的多模塊DC-DC變換器主電路中任一模塊k失效情況下的占空比重新分配控制方法；圖2和圖3中，vMf為主電路輸出電壓給定；^吣^^^㈣為各模塊輸出電壓采樣； Hvl, Hv2…Hvn為各模塊輸出電壓反饋系數(shù)；Gv。為各個模塊的電壓環(huán)調(diào)節(jié)器；^為載波信號； 為輸出限幅；i fl、“㈦…為各模塊電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出；ifl、if2…ifn為各模塊濾波電感電流采樣；Hn、HyHin為各模塊濾波電感電流反饋系數(shù)；Gitj為各模塊的電流環(huán)調(diào)節(jié)器； i。utl、i。utfi。utn為各模塊電流控制器經(jīng)限幅后的輸出；i' out!> i' Out2-i'。_為經(jīng)占空比重新分配后產(chǎn)生的新的調(diào)制波幅值；PWMp PWM^PWMn為各模塊開關(guān)管控制信號。
具體實施例方式一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法，其中多模塊DC-DC變換器的主電路由η個隔離式DC-DC變換器模塊通過輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)的形式構(gòu)成，如圖1所示， 高頻隔離式變換器DC-DC部分、濾波電感、電容及負載，其中輸入直流電壓為Vin，變換器可以是正激、反激、全橋、半橋、推挽或者推挽正激結(jié)構(gòu)的高頻隔離式DC-DC變換器。
對于輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)的隔離式DC-DC變換器，為了實現(xiàn)各個模塊的功率均分的目的，采用占空比重新分配的控制方式。在圖2中，整個變換器系統(tǒng)的輸出電壓給定為Vref，
各個模塊的電壓環(huán)給定電壓為lvre/，各個模塊的輸出電壓為V()1、V。2、…、v。n，濾波電感電流
η
Sim、im…im。對于模塊1，輸出電壓Vt5l通過電壓傳感器采樣得到￥。 為電壓反饋，與
電壓環(huán)給定lvre/比較，經(jīng)過電壓環(huán)調(diào)節(jié)器Gv。輸出iMfl作為模塊1電流環(huán)的給定，模塊1的 η
電流環(huán)的反饋ifl與電流環(huán)給定iMfl進行比較，電流環(huán)調(diào)節(jié)器Gitj輸出的值經(jīng)過限幅得到 IoutlO對于任一模塊j，輸出電壓v。j通過電壓傳感器采樣得到Vtrfj為電壓反饋，與電壓環(huán)給
定lvre/比較，經(jīng)過電壓環(huán)調(diào)節(jié)器Gv。，輸出作為模塊j電流環(huán)的給定，模塊j的電流環(huán) η
的反饋ifj與電流環(huán)給定iMfj進行比較，電流環(huán)調(diào)節(jié)器Gitj輸出的值經(jīng)過限幅得到i。utj。將各個模塊的電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)過限幅后的值進行重新分配，對于模塊1，將除了模塊1以外的其他所有電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)過限幅后的值相加，再除以(n-1)，產(chǎn)生新的調(diào)制波i'。utl，
即-iOua)，將調(diào)制波與載波進行比較后產(chǎn)生PWM1控制模塊1的開關(guān)管通斷；
n-l !=ι
對于任意模塊j，將除了模塊j以外的其他所有電流調(diào)節(jié)器輸出限幅后的值相加，再除以 (n-l)，產(chǎn)生新的調(diào)制波幅值i' 0UtJ,即“=+ ^]乙-iOUti)，將調(diào)制波與載波進行比較后產(chǎn)生PW^.控制模塊j的開關(guān)管通斷?？紤]到η模塊中任意模塊失效的情況下系統(tǒng)仍能正常工作，設(shè)計如下的冗余控制方法假設(shè)模塊k失效，加在輸入端電容Cdk兩端的開關(guān)&和輸出濾波電容Cfk兩端的開關(guān) S' k閉合，將模塊k從系統(tǒng)中切除，余下n-l個模塊進行輸入輸出均壓控制。正常工作的
每個模塊輸出電壓給定由lvre/變?yōu)閊TvV，任一模塊j的輸出電壓、通過電壓傳感器
ηn-l
采樣得到V。fj為電壓反饋，與該模塊電壓給定^7Vwr進行比較，電壓調(diào)節(jié)器Gto輸出iMfj作
n-l
為模塊j電流環(huán)的給定，電流反饋ifj與電流環(huán)給定iMfj做比較，電流調(diào)節(jié)器輸出的值經(jīng)過限幅后得到i。utj。其他n-2個有效模塊通過同樣的方法產(chǎn)生i。utl、i。ut2…i-o^)、i。ut(k+1)··· i。utn，將這n-l個電流調(diào)節(jié)器輸出限幅的值進行重新分配。對于模塊1，將除了模塊1以外的其他所有電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)過限幅后的值相加，再除以(n-2)，產(chǎn)生新的調(diào)制波i'。utl，
ι k-\η
即Lil =^zCLLn + Σ iOun ~Ln)，將調(diào)制波i ‘。utl與載波進行比較后產(chǎn)生PWM1控制模塊 1的開關(guān)管通斷。對于任一模塊j，將除了模塊j以外的其他所有電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)過限幅
ι k-lη
后的值相加，再除以(n-2)，產(chǎn)生新的調(diào)制波i ‘ 0UtJ,即‘ =](Σ。+ Σ iOun-Lt3)，將
調(diào)制波i ‘ 0UtJ與載波進行比較后產(chǎn)生PW^.控制模塊j的開關(guān)管通斷。當(dāng)多模塊DC-DC變換器的主電路中新投入一個模塊加入工作時，即整個系統(tǒng)重新
由n+1個模塊組成。任一模塊j的輸出電壓給定由lvre/變?yōu)閊7 ，仍然采用占空比重新分ι w+1
配的控制方法，各個模塊進行占空比重新分配后產(chǎn)生的新的調(diào)制波為〗_=一(Σ-Lt3)，
n i=l
將調(diào)制波i' 0UtJ與載波進行比較，產(chǎn)生的控制信號PW^.控制模塊j開關(guān)管的通斷。整個系統(tǒng)通過占空比重新分配環(huán)節(jié)達到輸入、輸出電壓分別均分的目的，實現(xiàn)各個模塊功率均分，即使在任意模塊投切的情況下系統(tǒng)仍能正常運行。通過占空比分配環(huán)節(jié)的引入，提高了系統(tǒng)在動態(tài)響應(yīng)過程中對電壓擾動的抑制能力，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)。本發(fā)明運用于隔離式DC-DC變換器，該變換器可以是正激、反激、全橋、半橋、推挽、推挽正激等所有的高頻隔離式DC-DC變換器。以上對本發(fā)明所提供的一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法進行了詳細介紹，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法，其中多模塊DC-DC變換器的主電路由η個相同的隔離式DC-DC變換器模塊通過輸入端串聯(lián)、輸出端串聯(lián)的形式構(gòu)成，其中 η為2或者2以上的數(shù)字，每個模塊的輸出回路上串接有電感，所述η個變換器模塊為相同的正激、反激、全橋、半橋、推挽或者推挽正激結(jié)構(gòu)的高頻隔離式DC-DC變換器，其特征在于方法的步驟為1)確定每個模塊的輸出電壓給定；2)對每個模塊的輸出電壓和輸出電感電流進行采樣，并記錄采樣結(jié)果，將每個模塊的輸出電壓分別記為V()1，vOJ,…，v。n，將每個模塊的輸出電壓采樣分別記為v。fl，…， vofJ,…，v。fn，將每個模塊輸出電感電流分別記為im，…，iWj，…，iun，將每個模塊輸出電感電流采樣分別記為ifl，…，i ，…，ifn，也即其中模塊j的輸出電壓為ν"輸出電壓采樣為v。fj，輸出電感電流為iWj，輸出電感電流采樣為ifj，j的范圍為1彡j彡η ；3)確定每個模塊電流環(huán)的給定；4)確定每個模塊電流環(huán)的輸出值；5)將通過步驟4)得到的每個模塊電流環(huán)的輸出值i。utl，…，i。utj，…，i。utn進行重新分配；6)將步驟幻得到的每個模塊電流環(huán)的輸出值進行重新分配后的輸出作為調(diào)制波與載波進行比較，由比較產(chǎn)生的PWM控制信號控制每個模塊中開關(guān)管的通斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法，其特征在于，所述步驟1)中確定每個模塊的輸出電壓給定的方法具體為設(shè)定每個模塊的輸出電壓給定為主電路輸出電壓給定的丄，也即^"Vre/。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法，其特征在于，所述步驟幻中確定模塊j電流環(huán)的給定的具體方法為將模塊j的輸出電壓采樣結(jié)果v。fj與模塊j的輸出電壓給定|vre/進行比較，并經(jīng)過電壓環(huán)調(diào)節(jié)器Gv。補償以后輸出的irefJ作為模塊j電流環(huán)的給定； 上述j的范圍為1彡j彡η。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法，其特征在于，所述步驟4)確定模塊j電流環(huán)的輸出值的具體方法為將模塊j的輸出電感電流采樣結(jié)果ifj與模塊j電流環(huán)給定irefj進行比較，并經(jīng)電流環(huán)調(diào)節(jié)器Gitj補償且經(jīng)過限幅后輸出的值為i。utj ；上述j的范圍為1彡j彡η。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法，其特征在于，所述步驟幻對模塊j電流環(huán)的輸出值重新分配的計算方法為(1ηLj = ^-(LiOUU -iOUtj)，其中土 ‘ 0UtJ為模塊j重新分配后的輸出；η —Y /=ι 上述j的范圍為1彡j彡η。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法， 其特征在于當(dāng)所述多模塊DC-DC變換器的主電路中任一模塊k失效并從系統(tǒng)中移除后時，整個系統(tǒng)由n-1個模塊進行工作，其中任一模塊j的輸出電壓給定為^
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法， 其特征在于當(dāng)所述多模塊DC-DC變換器的主電路中新投入一個與原DC-DC變換器模塊相同的模塊加入工作時，整個系統(tǒng)由n+1個模塊進行工作，其中任一模塊j的輸出電壓給定為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法，特別涉及一種用于輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)的隔離式DC-DC變換器的功率均分控制方法，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。采用輸出電壓和輸出電流雙閉環(huán)控制，通過占空比重新分配的方式產(chǎn)生各個模塊的PWM信號，達到各模塊的輸出電壓均分，從而實現(xiàn)每個模塊功率均分。本發(fā)明控制方法簡單，所用傳感器的數(shù)量少，同時也降低對傳感器要求，減少了生產(chǎn)成本，具有冗余投切的功能，可以提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
文檔編號H02M3/00GK102263496SQ201110204089
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者廖曉鐘, 沙德尚, 鄧凱, 郭志強 申請人:北京理工大學(xué)