具有自然均压特性的ISOP系统及其控制方法技术方案

技术编号:17783507 阅读:442 留言:0更新日期:2018-04-22 14:26
本发明专利技术提供了一种具有自然均压均流特性的ISOP系统及其控制方法,系统包括

【技术实现步骤摘要】
具有自然均压特性的ISOP系统及其控制方法
本专利技术涉及高压直流变换器领域,尤其涉及一种具有自然均压特性的ISOP系统及其控制方法。
技术介绍
在轨道交通、舰船等高压输入低压输出的中大功率场合,为了降低变换器中开关管的电压应力,常常采用多个变换器在输入侧串联和输出侧并联,这就是输入串联输出并联(Input-Series-Output-Parallel,ISOP)系统。ISOP系统的优点是:可以实现模块化设计;每个模块的输出功率只有系统总输出功率的1/n(n为ISOP系统中的模块个数),有利于降低设计难度;每个变换器的输入电压为系统输入电压的1/n,这样开关管的电压应力也降为原来的1/n,便于选取合适的开关管。对于ISOP系统来说,保证其正常运行的关键是要实现各模块之间的输入均压以及输出均流。KasemsanSiri的专利U.S.Patent7773395-UniformConverterInputVoltageDistributionPowerSystem公开了一种具有容错功能的民主均压控制策略,各模块输入电压采样信号分别通过一个二极管连接至均压母线,这样输入电压最高的模块自动成为主模块,其输入电压作为均压母线信号。将各模块的输入电压采样信号与均压母线信号分别进行比较,其偏差信号叠加到系统输出电压环的输出,从而调节各模块的输出功率,最终实现输入均压。XinboRuan等人于2009年4月发表在IEEETransactionsonIndustrialElectronics上的论文“ControlStrategyforInput-Series-Output-ParallelConverters”[输入串联输出并联变换器控制策略]则分别将各模块的输入电压采样信号与其基准值进行比较,其误差值送到各自的输入均压调节器中,从而调节各模块的占空比信号。在n个模块中,只需要n-1个输入均压环,对于第n个模块来说,系统输出电压调节器输出与前n-1个模块的输入均压调节器输出相加后以调节该模块的占空比信号。该方法实现了各模块输入均压闭环与系统输出电压闭环之间的解耦,有利于各闭环参数的优化设计。DeshangSha等人于2010年11月在IEEETransactionsonPowerElectronics[电力电子期刊]上发表的论文“Cross-FeedbackOutput-Current-SharingControlforInputSeriesOutputParallelModularDC-DCConverters”[输入串联输出并联模块化DC-DC变换器输出电流均分交叉反馈控制]提出了一种各模块输出电流交叉反馈控制策略,其特点是各模块的电流内环反馈信号不是单独每个子模块的输出电流,而是其余模块电流之和。以上各种方案都需要采样各个模块的输入电压或者输入/输出电流,对检测元件的耐压等级、精度和响应速度的要求较高,价格昂贵。而且,随着模块数量的增加,整个变换器的控制较为复杂。为了简化控制的复杂度,RameshGiri等人于2006年7月发表在IEEETransactionsonIndustryApplications[电力电子期刊]上的论文“Common-Duty-RatioControlofInput-SeriesConnectedModularDC-DCConverterwithActiveInputVoltageandLoad-CurrentSharing”[自动均压均流的输入串联直流变换器的共同占空比控制]提出了共用占空比的输入均压控制策略。由于各个模块共用同一个占空比信号,因此输入电压高的模块的输入电流大,使其输入电压降低;而输入电压低的模块的输入电流小,使其输入电压升高,从而自动实现各模块的输入均压,而无需其他额外措施。但是,共用占空比的方法要求所有模块的参数是一致的,这样才能实现很好的输入均压效果。在实际电路中,电感、电容和变压器等参数很难做到完全一致,因此其均压效果不佳。
技术实现思路
针对上述技术问题,本专利技术提供一种具有自然均压均流特性的ISOP系统及其控制方法。为了实现上述目的,本专利技术采取的具体的技术方案如下:具有自然均压均流特性的ISOP系统,包括n个由Boost和LLC谐振变换器组成的子模块,其中,n为大于等于2的自然数;每个子模块中,Boost变换器为前级,LLC谐振变换器为后级;Boost变换器的输出作为LLC谐振变换器的输入,两个变换器通过中间母线电容连接;n个子模块的Boost变换器的输入端依次串联,输入电压源的正极接到1#Boost变换器的输入正端,负极接到n#Boost变换器的输入负端;n个子模块的LLC谐振变换器的输出端并联在一起,分别接到输出电阻的正、负端。各子模块中,Boost变换器包括输入电感Lbk、开关管Qbk、升压二极管Dbk以及中间母线电容Cbk;各子模块中,LLC谐振变换器包括开关管Qk1~Qk4、串联谐振电容Crk、串联谐振电感Lrk、励磁电感Lmk、变压器Trk、副边整流二极管Dk1~Dk4、输出滤波电容Cok和输出电阻RLd,其中,k代表子模块序号,k=1,2,…n。该系统还包括传感器(LV25-P)和控制器,传感器分别采集输入电压和输出电压信号并输出经控制器,控制器的信号输出端分别与每个子模块的开关管连接,实现控制。控制器可以采用模拟电路或DSP(TMS320F2812)实现。本专利技术为了使ISOP系统自动实现输入均压和输出均流,采用的控制方法为:各子模块中LLC谐振变换器的开关管采用固定频率和固定占空比的开环控制,工作在DCX方式,用于实现电压隔离和电压匹配;Boost变换器采用闭环控制,各模块共用同一占空比,用于调节输出电压。其具体控制过程为:1)对于各子模块的LLC谐振变换器,通过控制器中的PWM模块直接给出固定频率(该频率为LLC谐振变换器的开关频率)和脉宽(0.5)的占空比信号,控制每个LLC谐振变换器斜对角的两对开关管分别同时开通和关断,同一桥臂的上下两管为180°互补导通。2)对于Boost变换器:首先,采样ISOP系统的输出电压,与输出参考电压做差,其差值输入至PID调节器;其次,采样输入电压源输入电压,乘以输入电压前馈系数Gff后,其输出叠加到上述PID调节器,其中Gff=-1/(2VCb),VCb为Boost变换器输出电容两端电压;最后,PID的输出分别与n个交错360/n度频率和幅值相等的锯齿波交截,得到n个大小相等、相位相差360/n度的占空比信号,分别驱动n个子模块的Boost变换器的开关管,实现对每个Boost变换器的控制。本专利技术控制方法还包括对LLC谐振变换器的设计,LLC谐振变换器工作在DCX方式,其开关频率固定在略低于谐振频率处,谐振槽路的参数设计步骤为:步骤S1:励磁电感Lm的设计。励磁电感的值根据开关管实现ZVS来确定,其表达式为其中,tc表示开关管结电容CQ的充放电时间,用tf表示开关管的下降时间,则tc一般取(3~5)tf,CQ和tf可在开关管的数据手册上查得;fr表示谐振频率,一般取略高于开关频率fs,即fr=(1~1.2)fs。步骤S2:串联谐振电感Lr的设计。根据上步确定的励磁电感,串联谐振电感Lr的选择取决于λ(本文档来自技高网
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具有自然均压特性的ISOP系统及其控制方法

【技术保护点】
具有自然均压均流特性的ISOP系统,其特征在于:包括n个由Boost变换器和LLC谐振变换器组成的子模块,其中,n为大于等于2的自然数;每个子模块中,Boost变换器为前级,LLC谐振变换器为后级;Boost变换器的输出作为LLC谐振变换器的输入,两个变换器通过中间母线电容连接;n个子模块的Boost变换器的输入端依次串联,输入电压源的正极接到1#Boost变换器的输入正端,负极接到n#Boost变换器的输入负端;n个子模块的LLC谐振变换器的输出端并联在一起,分别接到输出电阻的正、负端。

【技术特征摘要】
1.具有自然均压均流特性的ISOP系统,其特征在于:包括n个由Boost变换器和LLC谐振变换器组成的子模块,其中,n为大于等于2的自然数;每个子模块中,Boost变换器为前级,LLC谐振变换器为后级;Boost变换器的输出作为LLC谐振变换器的输入,两个变换器通过中间母线电容连接;n个子模块的Boost变换器的输入端依次串联,输入电压源的正极接到1#Boost变换器的输入正端,负极接到n#Boost变换器的输入负端;n个子模块的LLC谐振变换器的输出端并联在一起,分别接到输出电阻的正、负端。2.根据权利要求1所述具有自然均压均流特性的ISOP系统,其特征在于:各子模块中,Boost变换器包括输入电感Lbk、开关管Qbk、升压二极管Dbk以及中间母线电容Cbk;各子模块中,LLC谐振变换器包括开关管Qk1~Qk4、串联谐振电容Crk、串联谐振电感Lrk、励磁电感Lmk、变压器Trk、副边整流二极管Dk1~Dk4、输出滤波电容Cok和输出电阻RLd,其中,k代表子模块序号,k=1,2,…n。3.根据权利要求2所述具有自然均压均流特性的ISOP系统,其特征在于:该系统还包括传感器和控制器,传感器分别采集输入电压和输出电压信号并输出经控制器,控制器的信号输出端分别与每个子模块的开关管连接,实现控制。4.根据权利要求3所述具有自然均压均流特性的ISOP系统,其特征在于:控制器采用模拟电路或DSP实现。5.根据权利1-4任一所述的具有自然均压均流特性的ISOP系统的控制方法,其特征在于:其具体控制过程为:1)对于各子模块的LLC谐振变换器,通过控制器中的PWM模块直接给出固定频率和脉宽的占空比信号,控制每个LLC谐振变换器斜对角的两对开关管分别同时开通和关断,同一桥臂的上下两管为180°互补导通;2)对于Boost变换器:首先,采样ISOP系统的输出电压,与输出参考电压做差,其差值输入至PID调节器;其次,采样输入电压源输入电压,乘以输入电压前馈系数Gff后,其输出叠加到上述PID调节器,其中Gff=-1...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘飞周光军阮新波
申请(专利权)人:南京航空航天大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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