提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态响应的负载电流前馈控制方法

摘要

本发明公开一种提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态响应的负载电流前馈控制方法，首先建立了相移控制量D的数学描述，通过数据采集模块01得到变换器的输出电压值U

说明书

技术领域

本发明涉及全桥隔离DC-DC变换器(包含多电平全桥隔离DC-DC变换器) 的控制系统设计与制造领域。

背景技术

随着新能源变流技术的迅速发展，全桥隔离DC-DC变换器因其具有电气 隔离、功率密度高、能量能双向流动以及模块级联容易等优点已实现了广泛的 应用。在光伏发电、风能发电等分布式发电系统以及微网区域能量管理系统中， 全桥隔离DC-DC变换器可以用于解决能量储存以及功率流平衡等问题。近年 来，全桥隔离DC-DC变换器也成为了电动汽车能源变换系统中常用的变换器 拓扑之一。

在全桥隔离DC-DC变换器应用中，相移控制成为了典型应用的控制方法， 传统相移控制能完成功率的双向流动，且控制算法简单，特别是在变换器两端 电压相等的情况下，传统相移控制方法能够产生较小的电流应力。众所周知， 动态性能也是衡量一个变换器控制系统的重要指标，纵观已有资料，关于全桥 隔离DC/DC变换器动态特性改良的方法还比较缺乏。基于单相移控制方法， 有文献提出了电感电流边界控制方法，该种方法可以显著提高全桥隔离DC-DC 变换器对负载切换的动态响应速度，但该控制方法运算过于复杂，且需要多达 5个霍尔传感器，这增加了变换器系统的软件和硬件设计成本。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明以单相移控制方法为例，给出了一种提 高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态性能的负载电流前馈控制方法。目的 是提供一种在负载突变时具有快速动态响应的控制方法。该电流前馈控制方法 能够显著提高变换器对负载突变时的动态响应性能，且只需要增加1个负载电 流传感器。

本发明实现其发明目的是通过如下技术方案实现的。

一种提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态响应的负载电流前馈控制方 法，用于提高全桥隔离DC-DC变换器在负载突变时的动态响应速度，实现输 出电压在负载电阻发生突变时维持恒定；包含如下步骤:

1)数据采集模块01采集输出电压值U_o以及输出电流i_o,并将输出电压实 际值U_o与其给定值U^*_o的误差通过外环电压PI模块02得到虚拟输出电压给定 值U^*_p；

2)相移控制量计算模块03结合输出电压U_o、输出电压给定值U^*_o、虚拟 输出电压给定值U^*_p和输出电流i_o为输入量，经前馈控制模型，计算出相移控 制方法的相移控制量D；

所述前馈控制模型在单相移控制时表达为：

$D=\frac{1}{2}-\sqrt{\frac{1}{4}-\frac{U_o^{*}{U}_p^{*}{i}_o}{U_o^2}};$

3)调制模块04得到开关控制信号，2)所得相移控制量生成对应的全桥 隔离DC-DC变换器开关器件脉冲控制信号；实现全桥隔离DC-DC变换器的控 制。

本发明控制方法，通过建立相移控制量基于输出电压、虚拟输出电压给定 值、输出电压给定值和输出电流的数学模型，实现电流前馈控制，求解出相移 控制量，从而生成开关控制信号，完成全桥隔离DC-DC变换器的控制。单相 移控制方法下，其前馈控制模型的建立过程如下：

全桥隔离DC-DC变换器输出功率P可表示为式(1)

$P=\frac{U_{in}{U}_{o}D(1-D)T_s}{2nL}---\left(1\right)$

其中：D为全桥隔离DC-DC变换器控制相移控制量，U_in为输入电压，U_o为输出电压，L为等效电感值，T_s为开关周期，n为变压器变比。

考虑到特定的变换器系统电感值L、变压器变比n以及电流前馈控制方法 中开关周期T_s基本稳定不变，且暂不考虑输入电压突变的情况，则全桥隔离 DC/DC变换器的输出功率可以进一步表示为式

$p=\frac{2nLP}{T_s{U}_{in}}=U_{o}D(1-D)---\left(2\right)$

根据式(2)，则相移控制量D可表示为

$D=\frac{1}{2}-\sqrt{\frac{1}{4}-\frac{p}{U_o}},(0<p<\frac{U_o}{4})---\left(3\right)$

在本发明中输出功率值p可表示为

$p=U_p^{*}{i}_o^{*}---\left(4\right)$

其中，U^*_p为虚拟输出电压给定值，为PI控制器输出值；i^*_o为输出电流给 定值，在负载恒定情况下，电流i^*_o可以表示为

$i_o^{*}=\frac{U_o^{*}}{U_o}{i}_o---\left(5\right)$

其中，U^*_o为输出电压给定值，U_o为输出电压，i_o为输出电流。

结合式(3)、(4)和(5)，相移控制量D可进一步表示为

$D=\frac{1}{2}-\sqrt{\frac{1}{4}-\frac{U_o^{*}{U}_p^{*}{i}_o}{U_o^2}}---\left(6\right)$

。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)、输出电压对负载电阻突变的响应时间几乎为零，能显著提高变换器输 出的动态性能。

2)、相对于已有的电感电流边界控制方法，减少了3个霍尔传感器，仅仅 需要2个霍尔传感器。

3)、不需要准确的电感参数，这增加了控制方法的可移植性和兼容性。

4)、具有较高的通用性，同样适合全桥隔离DC-DC变换器的其相移控制 方法。

附图说明

图1实现全桥隔离DC-DC变换器的负载电流前馈控制方法的系统框图

图2单相移控制方法波形示意图。

图3负载电阻由20Ω突变到15Ω，全桥隔离DC-DC变换器的负载电流前 馈控制方法的实验波形图。

图4负载电阻由15Ω突变到20Ω，全桥隔离DC-DC变换器的负载电流前 馈控制方法的实验波形图。

图5辅助电感L为1.5mH时，在负载突增和突减情况下，负载电流前馈 控制方法对应的全桥隔离DC-DC变换器实验波形图。

图6辅助电感L为1.75mH时，在负载突增和突减情况下，负载电流前馈 控制方法对应的全桥隔离DC-DC变换器实验波形图。

具体实施方式

下面结合本发明的技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

以单相移控制方法为例，本发明提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动 态性能的负载电流前馈控制方法的系统框图如图1所示。其中，全桥隔离 DC/DC变换器由两个全桥变换器组成，一个辅助电感，两个电容，一个高频 隔离变压器组成。其中，n为变压器变比；C₁、C₂分别为电源侧支撑电容和负 载侧支撑电容；U_in为电源侧电压值；L_r为辅助电感值；i_o、U_o分别为输出电 流和负载侧电压；U_ab、U_cd分别为变压器原边H桥输入电压和副边输出电压； R为变换器等效负载；两个全桥变换器由8个开关管组成，开关管的驱动脉冲 分别为S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈。

每个控制周期开始，控制系统通过数据采集模块01采集输入电压U_in和输 出电流i_o，输出电压实际值U_o与其给定值U^*_o的误差通过电压外环PI模块02 得到虚拟输出电压给定值U^*_p，然后结合输出电压U_o、输出电流i_o，输出电压 给定值U^*_o和虚拟输出电压给定值U^*_p建立变换器前馈控制模型，根据该模型 通过相移控制量计算模块03获得相移控制量D，其计算公式如式(6)所示，最 后通过调制模块04得到全桥隔离DC/DC变换器的脉冲控制信号，完成变换器 负载电流前馈控制方法。

基于RT-LAB和TMS320F28335的硬件在环实验平台，本发明的系统实例 中两个支撑电容C₁和C₂均为2mF，辅助电感L为(1.5-2)mH，变压器的变比n 为1，开关频率f_s为1kHz，输入电压为200V，也可以根据具体情况设计变换 器的参数。图3～图4分别给出了负载电阻突增和突减，采用电流前馈控制方 法的实验波形图，结果表明该前馈控制方法能显著增加系统对输入电压突变和 输出电阻突变的动态响应速度，在负载发生突变的情况时，输出电压U_o基本 保持不变，其响应时间几乎为零。图5～图6分别给出了辅助电感L为1.5mH 和1.75mH时，采用电流前馈控制方法的实验波形图，分析易得全桥隔离DC/DC 变换器的电感参数对该方法的控制性能没有影响，在不知道准确的电感参数 时，采用该电流前馈控制方法仍具有较好的动态响应性能，这增加了控制方法 的可移植性和兼容性。

在不脱离本发明思想的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神 的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在 本发明的保护范围内。