本發(fā)明涉及一種基于輸出電流反饋的ISOP系統(tǒng)輸入均壓控制方法，屬于高壓直流變換器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)高壓電路中，受到功率器件性能的限制，高壓電路中功率器件的串聯(lián)結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單，由于功率器件間存在參數(shù)差異，器件之間動(dòng)態(tài)均壓困難，同時(shí)系統(tǒng)無(wú)冗余控制能力。在高壓直流電路中，隨著電力電子裝置朝著高頻化和模塊化的方向發(fā)展，在保證電氣性能的前提下，要求電力電子變換器具有高效率、高可靠性以及低成本的特點(diǎn)，通過(guò)將多個(gè)具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器通過(guò)串并聯(lián)的方式組合在一起，可以實(shí)現(xiàn)電力電子裝置模塊化要求，降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，提高系統(tǒng)可靠性，同時(shí)系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)便于以后進(jìn)行功能拓展。

輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(Input-Series Output-parallel,ISOP)組合變換器系統(tǒng)作為一種電力電子集成裝置，適用于高電壓輸入、低壓大電流輸出的應(yīng)用場(chǎng)合。但是由于組合系統(tǒng)模塊間參數(shù)存在的差異，實(shí)現(xiàn)模塊間輸入均壓和輸出均流是系統(tǒng)能夠正常工作的前提。

輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(ISOP)組合變換器的控制主要包括自然均壓/均流以及基于調(diào)節(jié)變換器開(kāi)關(guān)器件的占空比實(shí)現(xiàn)兩種方式。雖然自然均壓/均流控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)系統(tǒng)中子模塊的參數(shù)一致性要求高，在功率器件參數(shù)存在差異的情況下并不是真正的模塊化控制設(shè)計(jì)。基于變換器開(kāi)關(guān)器件占空比調(diào)節(jié)的控制方式主要有兩方面的研究，包括輸入電壓均分控制和輸出電流均分控制。

發(fā)表在IEEE Transactions on Industrial Electronics[電力電子期刊]上的相關(guān)論文“Control Strategy for Input-Series-Output-Parallel Converters”[輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)變換器控制策略]分析了ISOP組合變換器輸入均壓和輸出均流之間的關(guān)系，提出了輸入均壓和恒壓輸出的解耦控制策略，同時(shí)給出了多模塊組合變換器通用的均壓/均流控制策略，但是每個(gè)子模塊的控制都與其它子模塊相關(guān)，這種系統(tǒng)中子模塊之間有互聯(lián)的控制方式容易造成控制信號(hào)相互干擾，在比較惡劣的應(yīng)用環(huán)境中降低了系統(tǒng)的可靠性。

2010年在IEEE Transactions on Power Electronics[電力電子期刊]上發(fā)表了論文“Cross-Feedback Output-Current-Sharing Control for Input Series Output-Paralle Modular DC-DC Converters”[輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)模塊化DC-DC變換器輸出電流均分交叉反饋控制]，提出了一種雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，輸出電壓環(huán)產(chǎn)生電流環(huán)參考電流，輸出電流反饋量不是單獨(dú)每個(gè)子模塊輸出電流，而是其余模塊電流之和，這種輸出電流交叉反饋控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的輸出均流或者輸入均壓控制仍存在模塊間互聯(lián)造成的干擾問(wèn)題，同時(shí)控制的實(shí)現(xiàn)也比較復(fù)雜。

專利文件CN201110204089.X-一種用于多模塊DC-DC變換器的功率均分控制方法中提出了一種采用輸出電壓和輸出電流雙閉環(huán)控制方法，通過(guò)占空比重新分配的方式產(chǎn)生控制信號(hào)，這種控制方式不僅需要雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制器，同時(shí)子模塊的占空比需要重新分配計(jì)算，控制方式復(fù)雜。

另外，2015年IEEE Transactions on Power Electronics[電力電子期刊]上發(fā)表的論文“Decentralized Inverse-Droop Control for Input-Series-Output-Parallel DC-DC Converters”[ISOP模塊化DC-DC變換器分散式上垂控制控制方法]中采用了輸出電壓環(huán)、子模塊輸出電流環(huán)和輸入電壓環(huán)三環(huán)控制，輸出電壓環(huán)和輸入電壓均值控制一起為輸出電流環(huán)提供參考電流，這種控制結(jié)構(gòu)能夠避免不同模塊控制之間的交叉，但三環(huán)控制結(jié)構(gòu)增加了控制難度。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)大部分文獻(xiàn)中的輸入均壓控制都是采樣ISOP系統(tǒng)的輸入側(cè)電壓，在大功率電力電子裝置中考慮到模塊間的相對(duì)位置，輸入側(cè)電壓采樣成本高，控制信號(hào)傳輸容易受到干擾，影響系統(tǒng)可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于輸出電流反饋的ISOP系統(tǒng)輸入均壓控制方法，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，只在輸出并聯(lián)側(cè)采樣成本較低，各個(gè)子模塊相互獨(dú)立設(shè)計(jì)無(wú)干擾，能夠提高系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)和控制要求。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于輸出電流反饋的ISOP系統(tǒng)輸入均壓控制方法，包括以下步驟：

其中，所述ISOP系統(tǒng)包括n個(gè)變換器子模塊，且所有子模塊的輸入端串聯(lián)、輸出端并聯(lián)；

步驟S1：上電工作后采樣ISOP系統(tǒng)中每個(gè)子模塊的輸出電流i_Lfi(i＝1,2,...,n)及ISOP系統(tǒng)的總輸出電壓V_o；

步驟S2：確定ISOP系統(tǒng)總輸出電壓V_o的參考電壓V_ref，且得到ISOP系統(tǒng)的總輸出電流i_o，i_o＝i_Lf1+i_Lf2+…+i_Lfn；

步驟S3：根據(jù)系統(tǒng)總輸出電流i_o得到各個(gè)子模塊的輸出電流參考值即平均輸出電流并將每個(gè)子模塊的輸出電流i_Lfi(i＝1,2,...,n)與平均輸出電流的差值乘以輸出電流調(diào)節(jié)系數(shù)k_io(i＝1,2,...,n)，得到每個(gè)子模塊輸出電流變化量對(duì)應(yīng)的占空比調(diào)節(jié)量Δd_i(i＝1,2,...,n)；

步驟S4：將ISOP系統(tǒng)的參考電壓V_ref與總輸出電壓采樣值V_o相減，其差值經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器G_vo得到占空比調(diào)節(jié)參考值d_ref；

步驟S5：將d_ref和Δd_i相加，其和值通過(guò)比較器與高頻載波比較后產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件。

優(yōu)選的，步驟S2中，ISOP系統(tǒng)總輸出電流i_o由ISOP系統(tǒng)中每個(gè)子模塊的輸出電流i_Lfi(i＝1,2,...,n)相加求得或在輸出并聯(lián)端直接檢測(cè)得到。

優(yōu)選的，步驟S5中用于比較的高頻載波由模擬電路或DSP產(chǎn)生。

有益效果：本發(fā)明提供的一種基于輸出電流反饋的ISOP系統(tǒng)輸入均壓控制方法，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明只需要在ISOP系統(tǒng)的輸出并聯(lián)側(cè)采樣輸出電流和輸出電壓，成本較低，易于實(shí)現(xiàn)；2、本發(fā)明提出的控制結(jié)構(gòu)中只存在輸出電壓環(huán)，然后疊加各個(gè)子模塊輸出電流相對(duì)電流均值的變化量，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各個(gè)子模塊相互獨(dú)立設(shè)計(jì)無(wú)干擾，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)和控制要求，提高了ISOP系統(tǒng)的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為ISOP組合變換器系統(tǒng)的模塊化電路圖；

圖2為本發(fā)明一種基于輸出電流反饋的ISOP系統(tǒng)輸入均壓控制方法的流程框圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中三模塊雙管正激變換器ISOP系統(tǒng)的電路圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中三模塊雙管正激變換器ISOP系統(tǒng)輸入電壓的仿真結(jié)果；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中三模塊雙管正激變換器ISOP系統(tǒng)輸入電壓的實(shí)測(cè)值。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，ISOP組合變換器系統(tǒng)由n個(gè)DC/DC變換器子模塊組成，且所有子模塊的輸入端串聯(lián)、輸出端并聯(lián)；其中，V_in為ISOP系統(tǒng)的總輸入電壓，I_o為ISOP系統(tǒng)的總輸出電流；V_ini(i＝1,2,...,n)為i#模塊的穩(wěn)態(tài)輸入電壓，I_ini(i＝1,2,...,n)為i#模塊的穩(wěn)態(tài)輸入電流，I_Lfi(i＝1,2,...,n)為i#模塊的穩(wěn)態(tài)輸出電流。

如圖2所示為一種基于輸出電流反饋的ISOP系統(tǒng)輸入均壓控制方法，包括以下步驟：

步驟S1：上電工作后，通過(guò)霍爾電流傳感器在ISOP系統(tǒng)輸出并聯(lián)端采樣各個(gè)子模塊的輸出電流i_Lfi(i＝1,2,...,n)及ISOP系統(tǒng)的總輸出電壓V_o；

步驟S2：確定ISOP系統(tǒng)總輸出電壓V_o的參考電壓V_ref，且由每個(gè)子模塊的輸出電流i_Lfi(i＝1,2,...,n)相加得到系統(tǒng)總輸出電流i_o，i_o＝i_Lf1+i_Lf2+…+i_Lfn；

步驟S3：根據(jù)系統(tǒng)總輸出電流i_o得到各個(gè)子模塊的輸出電流參考值即平均輸出電流并將各個(gè)子模塊的輸出電流i_Lfi(i＝1,2,...,n)與平均輸出電流的差值乘以輸出電流調(diào)節(jié)系數(shù)k_io(i＝1,2,...,n)，得到各個(gè)子模塊輸出電流變化量對(duì)應(yīng)的占空比調(diào)節(jié)量Δd_i(i＝1,2,...,n)；

步驟S4：將ISOP系統(tǒng)的參考電壓V_ref與總輸出電壓V_o相減，其差值經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器G_vo得到占空比調(diào)節(jié)參考值d_ref；

步驟S5：將d_ref和Δd_i相加，其和值與模擬電路或DSP產(chǎn)生的高頻三角載波比較后產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件。

因此，這種控制信號(hào)來(lái)自輸出電壓V_o經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器G_vo后的產(chǎn)生控制量和子模塊輸出電流i_Lfi的變化量?jī)蓚€(gè)控制信號(hào)。

對(duì)于每個(gè)變換器，它的輸出電壓是根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定的，比如要求輸出電壓為120V，那么此處的參考電壓就可以設(shè)為120V，所以步驟S2中的參考電壓是根據(jù)實(shí)際的控制要求確定的。

步驟S3中的輸出電流調(diào)節(jié)系數(shù)并不是一個(gè)固定的大小，但范圍在[0,1]以內(nèi)，具體取值根據(jù)不同給的控制要求而定，然后根據(jù)電路不同的響應(yīng)速度等可以自由調(diào)節(jié)設(shè)置。

另外，步驟S2中的系統(tǒng)總輸出電流i_o也可以在輸出并聯(lián)端直接檢測(cè)得到；步驟S3中的輸出電流調(diào)節(jié)系數(shù)k_io也可以用控制器替代，仍能滿足功能和控制要求。

下面以三模塊雙管正激變換器ISOP系統(tǒng)的輸入均壓控制為實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明：

如圖3所示為由三個(gè)雙管正激變換器組成的ISOP系統(tǒng)，每個(gè)正激變換器的輸入輸出電壓之間存在關(guān)系式：V_in·D/N＝V_o，其中，V_in為變換器的輸入電壓，D為變換器的占空比，變換器原副邊匝比為N:1，V_o為輸出電壓。

由圖3可知，當(dāng)該ISOP系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，滿足關(guān)系式i_Lfj＝i_o/3(j＝1,2,...,n)，其中，i_o為該ISOP系統(tǒng)的總輸出電流。假設(shè)系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下受到擾動(dòng)，此時(shí)總輸入電壓V_in保持不變，模塊1的輸入電壓V_in1升高，模塊2輸入電壓V_in2降低，模塊3輸入電壓V_in3降低。從功率平衡角度分析可知，此時(shí)模塊1輸出電流i_o1增加，模塊2和模塊3的輸出電流i_o2和i₀₃也減小。由圖2流程框圖可知，此時(shí)模塊1變換器調(diào)節(jié)占空比D₁增加，模塊2和模塊3的調(diào)節(jié)占空比D₂和D₃減小。

當(dāng)三個(gè)模塊的輸出電壓V_o相同，并通過(guò)輸出電壓環(huán)保持輸出電壓恒定(因?yàn)楦鶕?jù)上述控制策略，控制結(jié)構(gòu)的外環(huán)是一個(gè)輸出電壓環(huán)，所以在輸入均壓的調(diào)節(jié)過(guò)程中通過(guò)輸出電壓環(huán)調(diào)節(jié)能夠保證輸出電壓的穩(wěn)定，穩(wěn)定在設(shè)定的參考電壓點(diǎn))時(shí)，由關(guān)系式：V_in·D/N＝V_o可知子模塊輸入電壓V_ini和占空比D之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)占空比后，模塊1的輸入電壓V_in1降低，模塊2和模塊3的輸入電壓V_in2和V_in3升高(由于變換器結(jié)構(gòu)中所有子模塊的輸出電壓相同，在正激變換器中子模塊的輸出電壓與占空比之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系，所以當(dāng)子模塊的占空比增大時(shí)，子模塊相應(yīng)的輸入電壓降低，反之亦然)，最后系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)輸入均壓。

圖4為三模塊雙管正激變換器ISOP系統(tǒng)的輸入均壓控制仿真結(jié)果，從圖中可以看出，在0.3s之前，系統(tǒng)總輸入電壓V_in為300V，每個(gè)模塊的電壓V_ini穩(wěn)定在100V。在0.3s時(shí)系統(tǒng)輸入電壓發(fā)生跳變，系統(tǒng)總輸入電壓V_in跳變?yōu)?00V，從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)系統(tǒng)總輸入電壓V_in發(fā)生跳變時(shí)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的調(diào)節(jié)作用，每個(gè)模塊的輸入電壓最后都穩(wěn)定在200V，實(shí)現(xiàn)了模塊間輸入電壓均分。

圖5為三模塊雙管正激變換器ISOP系統(tǒng)的輸入均壓控制實(shí)測(cè)值，從圖中可以看出，變換器工作在滿載(輸出電壓為50V，輸出電流為5A)條件下，輸入電壓范圍為285V～400V，變換器輸入電壓每增加5V測(cè)量三個(gè)子模塊的輸入電壓大小。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。