Isop模块化dc-dc变换器的分散式上垂控制方法
【专利摘要】ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法，本发明涉及一种基于上垂特性的ISOP模块化DC-DC变换器的双闭环控制方法的研究，属于电力电子领域。通过采样输出侧的电流，对系统进行上垂补偿控制，再经过电压电流双闭环，实现对每个模块的单独控制，同时实现模块间的功率均分。ISOP模块化DC-DC变换器由多个DC-DC变换器构成。采用该方法，不仅能够实现系统的分散式控制，还能很好的实现模块的功率均分，且具有较高的动态响应速度。同时，相对于传统的下垂法，上垂控制方法从机制上实现了系统的稳定。
【专利说明】丨SOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利提供一种ISOP(Input-Series-〇utput_Series，输入串联输出并联） 模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法，属于电力电子领域的高频开关电源方向。
【背景技术】
[0002] 模块化变换器有着冗余操作能力，规范的模块化操作和功率拓展的灵活性等优 点。在其中，IS0P模块化系统可以使得额定电压较低的开关管应用于高输入电压和低输出 电压大电流场合。为了使得该组合型DC-DC变换器能够正常工作，必须要实现模块间功率 的均分（包括输入电压均分和输出电流均分）。
[0003] 对于IS0P模块化DC-DC变换器，目前主要的控制方法分为以下两大类：⑴集中 式控制，（2)分散式控制
[0004] 对于集中式控制，现在常用的控制方法主要有：①解耦的输入电压均分控制②带 有输入电压均分控制环的输出电流均分控制③交叉控制（不带有输入电压均分控制环的 输出电流均分控制）④通讯总线控制⑤输入电压总线控制
[0005] 方法一：IEEETransactionsonIndustrialElectronics【电力电子期刊】于 2009年发表的"Controlstrategyforinput-series-output-parallelconverters'^输 入串联输出并联变换器的控制策略】中通过对系统建立等效模型将直流变换器模块实现解 耦，从而提出了输入电压均分和输出电流均分的关系，即当实现输出电流均分时，输入电压 也能实现均分，反之亦然。该文章中通过将独立的输入电压均分环加入到输出电压环中以 实现输入电压均分。方法二：IEEETransactionsonPowerElectronics【电力电子期刊】 于 2004 年发表的"Activeinput-voltageandload-currentsharingininput-series andoutput-parallelconnectedmodularDC-DCconvertersusingdynamic input-voltagereferencescheme"【采用动态输入电压参考的输入串联输出并联直流变 换器的输入电压和负载电流均分策略】中提出了三环控制，包括独立的输入电压均分环和 输出电流均分环以及输出电压环以同时实现输入电压均分和输出电流均分。方法三：IEEE TransactionsonPowerElectronics【电力电子期刊】于 2010 年发表的"Cross-feedback output-current-sharingcontrolforinput-series-output-parallelmodularDC-DCconverters"【采用交叉反馈的输入串联输出并联模块化直流变换器的输出电流均 分控制】中采用交叉反馈控制，通过取消独立的输入电压反馈来实现功率的均分，同时 该文章中提到，输入电压均分环的取消并不会影响到输出电流实现均分。方法四：IEEE TransactionsonPowerElectronics【电力电子期刊】于 2〇〇8 年发表的"Faulttolerant circuittopologyandcontrolmethodforinput-seriesandoutput-parallel modularDC-DCconverters"【输入串联输出并联的模块化直流变换器的容错拓扑电 路与控制方法】中取消了集中控制器，取而代之的是通信总线，系统利用通信总线来交换 占空比信息，从而实现模块间功率的均分。方法五：IEEEAppliedPowerElectronics ConferenceandExposition【电力电子会议】于 2011 年发表的"Adistributedcontrol ofinput-series-output-parallelbidirectionalDC-DCconvertermodulesapplied for20kVAsolidstatetransformer"【应用于20KVA固态变压器的双向输入串联输出并 联的直流变换器的分布式控制】中通过一个输入电压总线来共享输入电压均分信息。
[0006] 然而，所有上面提到过的控制策略都有一个共同的特点，就是采用集中式控制。对 于前三种方法，均具有集中控制器，这样系统的可靠性降低，一旦集中控制器出现异常，整 个系统就会崩溃。此外，系统的功率配置不具有灵活性，无法实现模块的热插拔。对于后两 种方法，都用总线来取代了集中控制器，但是依然是集中式控制，只不过是通过总线来进行 模块间信息的共享，但是，一旦总线崩溃，系统将无法实现攻略的均分，这降低了系统的可 靠性。
[0007] 对于分散式控制方法，针对由DC-DC变换器构成的IS0P系统，传统的下垂控制方 法应用较为广泛。如IEEETransactionsonIndustryApplications【电力电子期刊】于 2014年发表的"Wirelessinput-voltage-sharingcontrolstrategyforinput-series output-parallel(ISOP)systembasedonpositiveoutput-voltagegradientmethod" 【基于正输出电压斜度法的输入串联输出并联系统的无线输入电压均分控制策略】中没有 用到通信总线，取消了集中控制器，采用传统的下垂法实现分散式控制，使得模块之间独 立，实现真正意义上的模块化，容易实现热插拔。然而，对于每个模块而言，必须要采样自身 的输入电压，系统没有采样输出电流，系统的动态性能受到影响。同时增加了额外的输入电 压传感器。并且输出电压会受到输入电压的影响，输出调节特性也受到每个模块输入电压 的影响，尤其是当总输入电压调节范围很广时，输出电压幅度波动范围大。此外，传统的下 垂控制对IS0P变换器并不稳定。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提出了一种适用于IS0P系统的 分散式上垂控制方法。
[0009] 本发明的核心思想是，介于传统的下垂法对于IS0P系统具有不稳定机制，而其不 稳定机制的来源在于电流反馈的极性为负，所以，本发明将输出电流的反馈极性由负变正， 从而实现该方法对于IS0P系统的稳定调节。
[0010] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0011] 一种IS0P模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法，该控制方法基于由多个 DC-DC变换器拓扑组成的IS0P系统。
[0012] IS0P模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法的具体控制步骤如下：
[0013] 步骤一：利用电流传感器采样每个模块的输出电流im(i= 1，2*"n)，计算电压给 定值的和，k。为上垂系数。将该值作为模块#i(i=l，2*"n)的电压给定值。
[0014] 步骤二：通过电压传感器采样输出电压v。，计算模块#i(i= 1，2…n)的电压给定 值'efi(i=l，2...n)与V。的差值，该差值作为电压外环PI调节器的输入，电压外环PI调 节器的输出作为电流内环的给定(i= 1，2?n)。
[0015] 步骤三：计算电流内环的给定irafi(i= 1，2…n)与输出电流im(i= 1，2…n)的 差值，作为电流内环PI调节器的输入，电流内环PI调节器的输出作为模块#i(i= 1，2-n)的调制波dji= 1，2*"n)。
[0016] 步骤四：通过数字运算控制器（DSP)或者模拟电路，生成基准载波= 1，2-n)，由于模块间为分散式控制，所以每个模块载波的相位没有联系。
[0017] 步骤五：将模块#i(i= 1，2…n)的调制波dji= 1，2…n)与模块#i(i= 1，2… n)的载波Vei(i= 1，2…n)比较，生成模块#i(i= 1，2…n)开关管的PWM信号。
[0018] 步骤六：将步骤五得到的PWM信号作为模块#i(i= 1，2…n)中开关管的驱动信 号。
[0019] 步骤七：变换器上电后，控制器开始工作，并生成PWM(脉冲宽度调制）信号，按照 步骤一至步骤六调节开关管占空比，控制每个模块的输出电压与输出电流，实现模块间功 率均分。
[0020] ISOP模块化DC-DC变换器系统的连接关系如下所述：
[0021] 输入直流电压通过n个撕裂电容进行分压。每个撕裂电容上的电压作为每个直流 变换器的输入电压，从而实现每个直流变换器输入侧串联的关系。然后将所有的直流变换 器的输出端正电压端连接，所有的负电压端连接，分别接到输出稳压电容的正负极，之后再 连接至负载。
[0022] 上述提到的DC-DC变换器并不只针对某个或某几个拓扑，本发明提出的控制策略 适用于所有由DC-DC变换器构成的ISOP系统。只不过，对于Buck型拓扑，输出电流采样 的是输出侧电感上的电流，而对于Boost型拓扑，由于输出侧没有电感，其输出电流波动较 大，而输入电感上的电流在平均值上与输出电流的平均值成比例关系，所以可以采样输入 电感上的电流，同时乘以一定的系数，作为输出电流。
[0023] 有益效果
[0024] 1、本发明的ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制策略，相对于集中式控 制，只需要采样每个模块自身的输出电压和输出电流，模块之间没有任何通信，能够实现真 正意义上的分散式控制，实现了系统的模块化，避免了由于控制器工作异常或者通信总线 崩溃而造成系统瘫痪的危险，极大的提高了整个系统的可靠性，同时也提高了系统随时改 变功率等级的灵活性。
[0025] 2、本发明的ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制策略，通过采样每个模块 自身的输出电流，乘以上垂系数k。，对每个模块的输出电压给定进行补偿，使得每个模块能 够实现功率均分。同时，本发明提出的上垂控制策略能够克服传统的下垂法应用于ISOP系 统中的不稳定机制，真正的实现了系统机制上的稳定。
[0026] 3、本发明的ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制策略，采用的是电压外环 和电流内环的双闭环控制环路，相对于单电压环的控制，引入了电流内环，提高了系统的动 态性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为ISOP模块化DC-DC变换器；
[0028] 图2为本发明的分散式上垂控制方法的原理框图；
[0029] 图3为本发明下垂法的调节特性图；
[0030] 图4为本发明上垂法的调节特性图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
[0032] 本发明为一种ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法。
[0033] 对于ISOP模块化DC-DC变换器系统，由n个DC-DC变换器构成，如图1所示，vin 为总输入电压，vini(i= 1,2…n)为模块#i(i= 1,2…n)的输入电压，iin为总输入电流， iini(i= 1，2...n)为模块 #i(i= 1，2...n)的输入电流，iLfi(i= 1，2...n)为为模块#1(1 = 1，2…n)的输出电流，、为ISOP系统的总输出电流，v。为ISOP系统的总输出电压。ISOP 模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法原理图如图2所示。
[0034] 本发明所提方法及其电路拓扑工作过程如下：
[0035] 变换器上电开始工作后，将传感器采样输出电流im(i= 1，2…n)和输出电压V。 作为反馈。￥1^为输出电压给定，将￥1^+、*；[。 1(1 = 1，2?11)的值作为模块#1(1 = 1，2*" n)的输出电压给定值，再将其与输出电压相减，经过PI调节器和限幅器，输出值作为电流 内环的给定，再将其与采样的输出电流im(i= 1，2…n)相减，误差值经过PI调节器和限 幅器作为模块i(i= 1，2…n)的调制波dji= 1，2…n)。将根据变换器开关频率设定的 载波Mi=l，2-n)与dji=l，2-n)比较，得到开关管的PWM控制信号。
[0036] 在系统稳态下，输入电压和输出电压的关系可以被表达为：
【权利要求】
1. 一种ISOP模块化DC-DC变换器的分散式上垂控制方法，该控制方法基于由多个 DC-DC变换器拓扑组成的ISOP系统，其特征在于具体控制步骤包括： 步骤一、利用电流传感器采样每个模块的输出电流：^"(1 = 1，2···η)，计算电压给定值 与k 的和，k。为上垂系数；将该值作为模块#i (i = 1，2···η)的电压给定值； 步骤二、通过电压传感器采样输出电压ν。，计算模块#1(1 = 1,2…η)的电压给定值 Vrefi (i = 1，2... η)与V0的差值，该差值作为电压外环PI (比例积分）调节器的输入，电压 外环PI调节器的输出作为电流内环的给定iMfi (i = 1，2…η); 步骤三、计算电流内环的给定iMfi(i = 1，2…η)与输出电流im(i = 1，2…η)的差值， 作为电流内环PI调节器的输入，电流内环PI调节器的输出作为模块#1(1 = 1，2…η)的调 制波(Ii (i = 1，2···η); 步骤四、通过数字运算控制器（DSP)或者模拟电路，生成基准载波Vc^i = 1，2···η)，由 于模块间为分散式控制，所以每个模块载波的相位没有联系； 步骤五、将模块#i (i = 1，2…η)的调制波(Ii (i = 1，2…η)与模块#i (i = 1，2…η)的 载波= 1，2···η)比较，生成模块#i(i = 1，2···η)开关管的PWM信号； 步骤六：将步骤五得到的PWM(脉冲宽度调制）信号作为模块#i (i = 1，2…η)中开关 管的驱动信号； 步骤七、变换器上电后，控制器开始工作，并生成PWM信号，按照步骤一至步骤六调节 开关管占空比，控制每个模块的输出电压与输出电流，实现模块间功率均分。
【文档编号】H02M3/04GK104518661SQ201510024318
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2015年1月16日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】沙德尚, 刘弘耀, 陈泓宇, 袁文琦, 许国 申请人:北京理工大学