一种双向DC-DC软开关控制系统及逻辑控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种用于独立式光伏发电系统的双向dc-dc软开关控制策略及逻辑控制方法。

背景技术

独立式光伏发电系统的能源管理框架可以为负载提供稳定的电能，该负载需带有拥有电池充放电特性的双向升降压变换电路。在传统的双向升降压变换电路中，升压电路的二极管被半导体开关所代替，这使得该电路拥有同步整流框架和双向能量流特性，但在开关过程中有明显的开关损耗和噪声，这会降低电路的能源转换效率，甚至还会造成严重的电磁干扰。目前，许多研究人员都提出了相关的转换电路框架，虽然能有效地改善以上问题，但这增加了电路的整体复杂程度，实现代价较大。

鉴于此，本发明提出了一种双向dc-dc软开关控制策略及逻辑控制方法。该变换电路只需在传统的双向升降压变换电路中添加一个额外的谐振支路，只需一个简单的开关逻辑控制信号即可实现软开关功能。该电路框架不需要隔离变压器和耦合电感，通过在开关过程前后引入谐振，从而大大减小甚至消除开关损耗和噪声。因此，该系统不仅框架简洁，主开关和辅助开关的逻辑控制信号也很简单。所以，该电路框架在大功率条件下仍适用。

发明专利《大功率软开关双向dc-dc变换器电路》，申请号201610451779.8。该发明通过霍尔元件检测电流，当电流达到某一设定值时给出控制信号，驱动信号在开关管零电压时刻开通，在电流设定值点关断，控制思想为通过脉冲频率改变来调整输出电流大小，而本发明仅通过简单的硬件逻辑控制来实现软开关功能，两者之间有着本质区别，相比之下，本发明所述控制方法更加稳定可靠，速度更快。

实用新型专利《一种用于光伏储能系统的双向软开关变换器》，申请号201520121132.x。其中提出的变换器，要点是通过合适设计隔离变压器中漏感等于某一限值，使漏感加电感电容起到能量储存的作用，通过隔离变压器来产生谐振，以此来实现软开关功能，这与本发明实现方法有着本质区别。相比之下，本发明所述控制方法更加稳定可靠，抗干扰能力强，成本更低。

实用新型专利《一种新型软开关双向dc-dc变换器》，申请号201420114821.3。该发明所述控制方法，通过钳位电容将电压固定在特定值，并通过辅助电感与辅助电容组成谐振辅助电路为主开关的零电压开通创造条件，以此来实现软开关功能。这与本发明通过对四个开关管的逻辑控制来实现软开关功能的控制方法有着本质区别，并且该发明控制方法复杂，所用电路元件较多。

南京航空航天大学，2006年硕士学位论文《pwm加移相控制双有源全桥双向dc-dc变换器的研究》。提出了一种单pwm加移相控制策略和一种复合pwm加移相控制策略，该控制策略根据移相角分段线性控制占空比来实现软开关功能，这与本发明通过对硬件的逻辑控制来实现软开关功能的控制方法有着本质区别。由于隔离变压器的加入，使得系统体积较大、成本较高，且控制策略较为复杂。

哈尔滨工业大学，2014年硕士学位论文《储能系统双向直流变换器及其控制策略研究》。通过对耦合电感及其漏感的控制，实现零电流软开关功能，这与本发明通过对四个开关管的逻辑控制来实现软开关功能的控制方法有着本质区别。

山东大学，2015年硕士学位论文《用于混合储能系统的双向dc-dc变换器及其控制策略研究》。基于隔离型双主动全桥拓扑提出了新型pwm加移相控制方法，该方法通过计算控制脉冲的最优移相角和占空比，使得变换器获得更好的工作性能，并增大了软开关范围，但该控制策略计算量较大，控制方式较为复杂，与本发明控制方法有着本质区别。

《电气自动化》，2006年发表了《基于软开关的双向dc-dc变换电源研究》。提出了一种双向dc-dc软开关变换电路及控制策略，为实现软开关功能在脉冲之间设置死区，只要开关换流间隔死区时间大于电容从0v充电到输出电压所需时间，即可实现软开关功能，死区时间由输出电压、电容和电感电流以及变压器侧电流决定，这与本发明所述延时时间的确定有着本质区别。

《电机与控制学报》，2013年发表了《软开关双向dc-dc变换器控制模型》。通过开关管的寄生电容、电路的电感在电感电流过零时谐振，实现开关管的零电压开通，这与本发明通过对四个开关管的逻辑控制来实现软开关功能的控制方法有着本质区别。

《电力电子技术》，2007年发表了《一种新颖的软开关双向dc-dc变换器》。通过引入耦合电感能量反馈辅助电路，实现所有开关管的软开关，这与本发明通过对四个开关管的逻辑控制来实现软开关功能的控制方法有着本质区别。相比之下，本发明所述控制方法更加稳定可靠，更易实现。

技术实现要素：

本发明提出了一种双向dc-dc软开关控制系统及逻辑控制方法，用于解决独立式光伏发电系统中能源转换效率较低与开关损耗和噪声问题。

本发明的技术方案如下：

一种双向dc-dc软开关控制系统，包括一个母线电压控制器、一个滞环电流控制器、一个延时逻辑单元、一个开关逻辑控制单元、一个隔离驱动电路和一个双向dc-dc软开关变换电路，延时逻辑单元、开关逻辑控制单元、隔离驱动电路及双向dc-dc软开关变换电路依次连接，母线电压控制器和滞环电流控制器分别与双向dc-dc软开关变换电路连接，母线电压控制器和滞环电流控制器电连接，滞环电流控制器与延时逻辑单元电连接。

所述双向dc-dc软开关控制系统的逻辑控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集母线电压vh,并与其参考值作比较，由直流母线电压控制器输出电池充放电控制电流；检测出电池充放电电流il,并与其参考值作比较，由滞环电流控制器输出开关控制信号s；

步骤2、软开关切换延时时间计算，确保任意负载下完成软开关切换，以最大负载情况下储能电感的电流峰值来计算延时时间，为使开关切换更加可靠，加入一个时间裕度tτ，tτ的取值由开关管的截止时间来决定，所以总延时时间td为：

式中，ilm为流过储能电感lm的电流；lr为谐振电感的值；vh为母线电压；cr为谐振电容的值；

步骤3、高压侧开关逻辑控制运算：s信号取反后生成信号分成两路信号，一路经过延时逻辑电路延时td后生成信号td，td与相与后生成主开关控制信号s2，s2经隔离驱动去控制v2开通和截止，td取反后生成信号与相与后生成辅助开关控制信号s2r，s2r经隔离驱动电路去控制v2r开通和截止；

步骤4、低压侧开关逻辑控制运算：s分成两路信号，一路经过延时逻辑电路延时td后生成信号td，td与s相与后生成主开关控制信号s1，s1经隔离驱动去控制v1开通和截止，td取反后生成信号与s相与后生成辅助开关控制信号s1r，s1r经隔离驱动电路去控制v1r开通和截止。

本发明中，电池的充放电控制采用了一种双向dc-dc软开关控制策略及逻辑控制方法，使得该电路同时具有双向dc-dc变换电路的能量转换特性和软开关功能，同时该电路的开关逻辑控制信号简单，因此电路的开关损耗和噪声大幅降低，能量转换效率得到大幅提升。主开关与辅助开关的具体特性如表1所示。

附图说明

图1是本发明的双向dc-dc软开关变换电路原理图；

图2是本发明的开关逻辑控制信号图；

图3是本发明的延时逻辑单元电路图

图4是本发明的结构实例图；

图5是本发明在升压模式下与传统硬开关转换效率对比图；

图6是本发明在降压模式下与传统硬开关转换效率对比图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行完整的描述。显然，所描述实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，一种双向dc-dc软开关电压变换电路，该双向dc-dc软开关电压变换控制包括一个母线电压控制器、一个滞环电流控制器、一个延时逻辑单元、一个开关逻辑控制单元、一个隔离驱动电路和一个双向dc-dc软开关变换电路。包括以下步骤：

步骤1、采集母线电压vh,并与其参考值作比较，由直流母线电压控制器输出电池充放电控制电流；检测出电池充放电电流il,并与其参考值作比较，由滞环电流控制器输出开关控制信号s；

步骤2、软开关切换延时时间计算，确保任意负载下完成软开关切换，以最大负载情况下储能电感的电流峰值来计算延时时间。为使开关切换更加可靠，加入一个时间裕度tτ。所以总延时时间td为：

式中，ilm为流过储能电感lm的电流；lr为谐振电感的值；vh为母线电压；cr为谐振电容的值。

步骤3、高压侧开关逻辑控制运算：s信号取反后生成信号分成两路信号，一路经过延时逻辑电路延时td后生成信号td，td与相与后生成主开关控制信号s2，s2经隔离驱动去控制v2开通和截止。td取反后生成信号与相与后生成辅助开关控制信号s2r，s2r经隔离驱动电路去控制v2r开通和截止。

步骤4、低压侧开关逻辑控制运算：s分成两路信号，一路经过延时逻辑电路延时td后生成信号td，td与s相与后生成主开关控制信号s1，s1经隔离驱动去控制v1开通和截止。td取反后生成信号与s相与后生成辅助开关控制信号s1r，s1r经隔离驱动电路去控制v1r开通和截止。

本实施例是以将这种双向dc-dc软开关控制策略及逻辑控制方法用于独立式光伏发电系统为例。如图3所示，母线电压的值随着太阳辐射强度的变化而变化，当太阳辐射强度很强，光伏模块阵列所发出的能量大于负载需求时，本发明所述控制策略使得该系统进入充电模式，将多余的能量储存在蓄电池中，以维持母线电压在其设定值；当太阳辐射强度较弱，光伏模块阵列所发出的能量无法满足负载需求时，本发明所述控制策略使得该系统进入放电模式，将母线电压维持在其设定值，保证负载正常工作。

名词解释：zvs是指零电压开关；zcs是指零电流开关。

本发明双向dc-dc软开关变换电路工作原理如下：

一、升压模式：

当该双向升降压软开关变换器工作在升压模式时，根据开关的导通或关断可将一个开关周期t分为七个工作状态。下面将在七个不同工作状态下对该变流电路进行分析：

t0-t1：初始状态是高压侧辅助开关v2r、低压侧主开关v1和辅助开关v1r均处于断开状态，高压侧主开关v2处于闭合状态。此时，v1两端的电压用vh表示。当t＝t0时，v2保持导通，v1r导通，v1保持断开状态。此时，lr两端电压为vh，电流从零呈线性增加。当t＝t1时，该状态结束。

t1-t2：当t＝t1时，lr电流增加到ilm，cr的电压。v1r保持导通状态；同时lr和cr形成谐振回路。此时，lr的电流持续增加，cr的电压逐渐减小到0。

t2-t3：此时，cr的电压持续下降到负值，v1中二极管正向导通，v1两端的电压变为零。当t＝t3时该状态结束。此时，v1r关断，触发v1导通，实现zvs。

t3-t4：此时，v1导通、v1r关断。同时，lr储存的能量通过v2r的二极管释放到负载端。因此，v1r两端的电压变为vh，lr两端的电压变为-vh。

t4-t5：此时，v1导通，其他开关均关断。

t5-t6：此时，v1关断，ilm开始给cr充电。cr的电压呈线性增长，v2电压从vh线性下降。当cr电压增加到vh时，该状态结束。

t6-t0：此时，v1和v1r均关断。v2二极管导通，输入电流通过二极管流向负载端子。当t＝t0时，升压模式下的开关周期t分析完成。

二、降压模式：

当能量从高压侧流向低压侧时，该变流电路进入降压模式。在此状态下，也可根据开关的导通或关断将一个开关周期t分为七个工作状态。下面对这七个工作状态进行详细分析：

在一个开关周期t内，lm的电流可以看作是一个具体的电流源。但是在降压模式下，能量从高压侧流向低压侧。因此，ilm＝-ilm。

t0-t1：当t＝t0时进入第一个工作状态，首先v2r导通，v2延迟导通。因此，v1r和高压侧输入端并联，v1r的电压为vh。此时，lr的电压为-vh，因此，lr的电流呈现为从零反向线性增加。此外，由于该状态下能量由高压侧流向低压侧，因此lr的电压和电流均为负值。

t1-t2：当t＝t1时，lr的电流反向向-ilm增加。此时，cr的电压为零。同时，v2r持续导通，lr和cr形成谐振回路。cr的电压正向增加，lr的电流反向增加。

t2-t3：在第二个工作状态中，cr的电压继续从零增加到vh。进入第三个工作状态后，cr的电压变得比高压侧输出电压vh略高一些，这导致v2的二极管正向导通。此时，v2的电压减小到零。当t＝t3时，此状态结束，这时闭合v2以实现zvs。

t3-t4：该工作状态下v2导通，v2r关断。此时，lr储存的能量开始释放，通过v1r的二极管传输到负载端。因此，lr的电压变为vh。

该工作状态下，lr通过v1r的二极管将自身储存的能量释放出来；因此，lr的电流呈现出反向线性减小。此时，通过二极管的电流为，v2的电流呈现出反向线性增加。当t＝t4时，lr的电流从-ilm-vh/zo增加到零，zo为电路阻抗。v2的电流也反向增加到ilm，此时该状态结束。

t4-t5：此时，v2导通，其他开关均关断，该状态一直持续到v2关断。

t5-t6：此时v2关断。该状态下，cr给负载端供能；因此，cr的电压呈现线性减少。当cr的电压减小到零时，该状态结束。

t6-t0：此时，v2和v2r均关断，v1的二极管导通。电感lm的电流通过二极管和负载端形成放电回路。当t＝t0时，降压模式下对开关周期t的分析结束。vh和vl之间无关系式。

表1所示的是主开关与辅助开关的具体特性，表一中，开：表示开关管闭合；关：表示开关管断开。zvs:zero-voltage-switching。zcs:zero-current-switching。零电压开关zvs、零电流开关zcs的含义：电压、电流波形不交叠的技术，即软开关技术，使开关在开通或关断前其两端电压或电流先降到零，从而消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小开关损耗。

表1是主开关与辅助开关的具体特性。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。