[发明专利]一种双向串联谐振变换器的高频间歇控制系统及方法

权利要求书

1.一种双向串联谐振变换器的高频间歇控制方法，用于一种双向串联谐振变换器的高频间歇控制系统，其特征在于，所述高频间歇控制系统包括第一输入电源(1)、第一滤波电路(2)、第一逆变/整流电路(3)、谐振电路(4)、高频变压器(5)、第二逆变/整流电路(6)、第二滤波电路(7)、第二输入电源(8)、第一电压电流采集电路(91)、第二电压电流采集电路(92)、第一控制器(101)、第二控制器(102)、第一驱动电路(111)、以及第二驱动电路(112)；

第一输入电源(1)的输出端连接第一滤波电路(2)的输入端，第一滤波电路(2)的反馈端与第一电压电流采集电路(91)的输入端相连；第一电压电流采集电路(91)的输出端连接第一控制器(101)的输入端，第一控制器(101)的输出端连接驱动电路(111)，第一驱动电路(111)的输出端连接第二逆变/整流电路(6)的第一输入端；

第一滤波电路(2)的输出端与第一逆变/整流电路(3)的第一输入端相连，谐振电路(4)的输入端与第一逆变/整流电路(3)的输出端相连，谐振电路(4)的输出端与高频变压器(5)的输入端相连；高频变压器(5)输出端与第二逆变/整流电路(6)的第二输入端相连；第二逆变/整流电路(6)输出端与第二滤波电路(7)输入端相连；第二滤波电路(7)的输出端用于与第二输入电源(8)相连，第二滤波电路(7)的反馈端与第二电压电流采集电路(92)的输入端相连；第二电压电流采集电路(92)的输出端连接至第二控制器(102)的输入端，第二控制器(102)的输出端连接至第二驱动电路(112)的输入端，第二驱动电路(112)的输出端与第一逆变/整流电路(3)第二输入端相连；

所述双向串联谐振变换器的高频间歇控制系统使直流电进行双向流动，其中，能量从第一输入电源(1)向第二输入电源(8)传输的工作模式为正向传输模式，能量从第二输入电源(8)向第一输入电源(1)传输的工作模式为反向传输模式；

所述的第一滤波电路(2)为一个直流滤波电容C₁，第一逆变/整流电路(3)开关管S₃的管脚2与开关管S₄的管脚1相连后用于连接在谐振变换器第一滤波电路(2)的两端，其中，开关管S₁与S₃的管脚1用于连接滤波电容C₁的正极，开关管S₁与S₃的管脚2用于连接滤波电容C₁的负极，第一滤波电路(2)用于在反向传输模式中滤除整流电路输出的电流中的谐波，为第一输入电源(1)提供平稳的直流能量；

所述的第一逆变/整流电路(3)包含四个相同的开关管S₁～S₄，各个开关管S₁-S₄的管脚1和管脚2之间分别连接一组并联的二极管和缓冲电容，其中二极管的阳极连接对应开关管的管脚2，阴极连接对应开关管的管脚1，开关管S₁的管脚2与开关管S₂的管脚1相连后用于连接在第一输入电源(1)的两输出端之间，开关管S₃的管脚2与开关管S₄的管脚1相连后用于连接在第一输入电源(1)的两输出端之间；其中，开关管S₁与S₃的管脚1用于连接第一输入电源(1)和反向滤波电容C₁的正极，开关管S₂与S₄的管脚2用于连接第一输入电源(1)和反向滤波电容C₁的负极，开关管S₁-S₄选用的类型包括MOSFET、BJT以及IGBT；

所述的谐振电路(4)采用包含电感和电容的串联LC谐振电路，串联LC谐振电路包含一个谐振电感L_r和一个谐振电容C_r，谐振电容C_r的一端连接第一逆变/整流电路(3)的开关管S₁的管脚2，另一端串联谐振电感L_r，L_r的另一端同开关管S₃的管脚2连接高频变压器(5)原边的一端；

所述的高频变压器(5)为高频隔离变压器，高频隔离变压器原边的一端连接谐振电感L_r和开关管S₃的管脚2，原边的另一端连接至第三开关管S₃和第四开关管S₄的连接端，在第一逆变/整流电路(3)输出方波电压的激励下，谐振电路(4)的谐振电感L_r、谐振电容C_r与高频隔离变压器原边的等效励磁电感产生近似正弦的高频谐振电流，通过高频隔离变压器原边传输到其副边；

所述的第二逆变/整流电路(6)共有四个相同的开关管S₅～S₈，各个开关管S₅-S₈的管脚1和管脚2之间分别连接一组并联的二极管和缓冲电容，其中二极管的阳极连接对应开关管的管脚2，阴极连接对应开关管的管脚1，开关管S₅的管脚2与开关管S₆的管脚1相连后用于连接在第二输入电源(8)的两输出端之间，开关管S₇的管脚2与开关管S₈的管脚1相连后用于连接在第二输入电源(8)的两输出端之间；其中，开关管S₅与S₇的管脚1与管脚2用于连接高频变压器(5)的输出端，S₅和S₇的管脚1用于连接第二输入电源(8)和滤波电容C₂的正极，S₆和S₈的管脚2用于连接第二输入电源(8)和滤波电容C₂的负极，开关管S₅-S₈的类型包括MOSFET、BJT以及IGBT；

所述的第二滤波电路(7)为一个直流滤波电容C₂，第二逆变/整流电路(6)开关管S₇的管脚2与开关管S₈的管脚1相连后用于连接在第二滤波电路(7)的两端，其中，开关管S₅与S₇的管脚1用于连接滤波电容C₂的正极，开关管S₆与S₈的管脚2用于连接滤波电容C₂的负极，第二滤波电路(7)用于在正向传输模式中滤除整流电路输出的电流中的谐波，为第二输入电源(8)提供平稳的直流能量；

所述方法包含如下步骤：

S101：采集第一输入电源(1)的电压值V₁、第一逆变/整流电路(3)输出的电流值I₁，以及第二输入电源(8)的电压值V₂、第二逆变/整流电路(6)输出的电流值I₂，通过控制器计算得到第一逆变/整流电路(3)输出的功率P₁和第二逆变/整流电路(6)输出的功率P₂；

S102：判断参考功率P_ref的正负，若P_ref＞0，变换器正向工作，转步骤S103，P_ref＜0，变换器反向工作，转步骤S104,其中，P_ref为输出功率设定值；

S103：判断V₁和nV₂的大小关系，若V₁≤nV₂，变换器正向升压，转步骤S105，若V₁＞nV₂，变换器正向降压，转步骤S107；

S104：判断V₁和nV₂的大小关系，若V₁≤nV₂，变换器反向降压，转步骤S108，若V₁＞nV₂，变换器反向升压，转步骤S106；

S105：根据公式f_s＝K_p1e₁+K_i1×(∫e₁dt+C₁)获得工作频率指令f_s，生成占空比为0.5，工作频率为f_s的PWM信号，用于控制开关S₁、S₂，S₅-S₈，同时根据D＝f_s/f_r生成占空比为D，工作频率为f_s的PWM信号，用于控制开关S₃和S₄，其中，S₁和S₅同相位，S₂和S₆同相位，S₈相对S₂滞后T_r时间；S₁、S₂相位互补、S₅、S₆相位互补、S₇、S₈相位互补，在一个工作周期T_s中，前半周期内，S₄相对S₂超前T_r时间，S₃和S₂同相位；后半周期内，S₃相对S₁超前T_r时间，S₄和S₁同相位，转步骤S109；

其中，f_r为谐振频率，T_r为谐振周期，T_r＝1/f_r；T_s为工作周期，T_s＝1/f_s；e₁为功率误差，e₁＝P_ref－P₂，K_p1和K_i1分别为输出功率比例系数和输出功率积分系数，t为时间，C₁为积分常数，当前拍计算下的C₁值为上一拍计算的积分∫e₁dt+C₁的值，第一次计算时C₁＝0，P_ref为输出功率设定值，P₂为第二逆变/整流电路(6)的输出功率值；

S106：根据公式f_s＝K_p1e₁+K_i1×(∫e₁dt+C₁)获得工作频率指令f_s，生成占空比为0.5，工作频率为f_s的PWM信号，用于控制开关S₁-S₄，S₅、S₆，同时根据D＝f_s/f_r生成占空比为D，工作频率为f_s的PWM信号，用于控制开关S₇和S₈；其中，S₅和S₁同相位，S₆和S₂同相位，S₄相对S₆滞后T_r时间；S₅、S₆相位互补、S₁、S₂相位互补、S₃、S₄相位互补，在一个工作周期T_s中，前半周期内，S₈相对S₆超前T_r时间，S₇和S₆同相位；后半周期内，S₇相对S₅超前T_r时间，S₈和S₅同相位，转步骤S109；

其中，f_r为谐振频率，T_r为谐振周期，T_r＝1/f_r；T_s为工作周期，T_s＝1/f_s；e₁为功率误差，e₁＝P_ref－P₁，K_p1和K_i1分别为输出功率比例系数和输出功率积分系数，t为时间，C₁为积分常数，当前拍计算下的C₁值为上一拍计算的积分∫e₁dt+C₁的值，第一次计算时C₁＝0，P_ref为输出功率设定值，P₁为第一逆变/整流电路(3)的输出功率值；

S107：根据公式f_s＝K_p2e₂+K_i2×(∫e₂dt+C₂)获得工作频率指令f_s，生成占空比为0.5，工作频率为f_s的PWM信号，用于控制开关S₁-S₄，S₅、S₆，同时根据D＝f_s/f_r生成占空比为D，工作频率为f_s的PWM信号，用于控制开关S₇和S₈，其中，S₁和S₅同相位，S₂和S₆同相位，S₄相对S₂超前Tr时间；S₁、S₂相位互补、S₃、S₄相位互补、S₅、S₆相位互补，在一个工作周期T_s中，前半周期内，S₈和S₄同相位，S₇和S₆同相位；后半周期内，S₇和S₃同相位，S₈和S₁同相位，转步骤S109；

其中，f_r为谐振频率，T_r为谐振周期，T_r＝1/f_r；T_s为工作周期，T_s＝1/f_s；e₂为功率误差，e₂＝P_ref－P₂，K_p2和K_i2分别为输出功率比例系数和输出功率积分系数，t为时间，C₂为积分常数，当前拍计算下的C₂值为上一拍计算的积分∫e₂dt+C₂的值，第一次计算时C₂＝0，P_ref为输出功率设定值，P₂为第二逆变/整流电路(6)的输出功率值；

S108：根据公式f_s＝K_p2e₂+K_i2×(∫e₂dt+C₂)获得工作频率指令f_s，生成占空比为0.5，工作频率为f_s的PWM信号，用于控制开关S₁、S₂，S₅-S₈，同时根据D＝f_s/f_r生成占空比为D，工作频率为f_s的PWM信号，用于控制开关S₃和S₄，其中，S₅和S₁同相位，S₆和S₂同相位，S₈相对S₆超前T_r时间；S₅、S₆相位互补、S₇、S₈相位互补、S₁、S₂相位互补，在一个工作周期T_s中，前半周期内，S₄和S₈同相位，S₃和S₂同相位；后半周期内，S₃和S₇同相位，S₄和S₅同相位，转步骤S109；

其中，f_r为谐振频率，T_r为谐振周期，T_r＝1/f_r；T_s为工作周期，T_s＝1/f_s；e₂为功率误差，e₂＝P_ref－P₁，K_p2和K_i2分别为输出功率比例系数和输出功率积分系数，t为时间，C₂为积分常数，当前拍计算下的C₂值为上一拍计算的积分∫e₂dt+C₂的值，第一次计算时C₂＝0，P_ref为输出功率设定值，P₁为第一逆变/整流电路(3)的输出功率值；

S109：将PWM信号送给相应的开关管，待传输过程完成后结束工作；

所述输出功率比例系数K_p1和输出功率积分系数K_i1的确定过程为：

S201：将K_i1初始值取为0；

S202：先调试K_p1，查看此时一种双向串联谐振变换器的高频间歇控制系统的输出功率波形是否振荡，是则降低K_p1直至波形振荡消除，转过程S203；否则，则转过程S202继续调试K_p1，直至波形振荡消除；

S203：固定K_p1值，调试K_i1，查看此时输出功率波形是否波动，是则降低K_i1直至波形振荡消除；否则，继续调试K_i1，直至波形振荡消除；

S204：将K_p1和K_i1的最终值作为输出功率比例系数K_p1和输出功率积分系数K_i1；

所述输出功率比例系数K_p2和输出功率积分系数K_i2的确定过程为：

S301：将K_i2初始值取为0；

S302：先调试K_p2，查看此时一种双向串联谐振变换器的高频间歇控制系统的输出功率波形是否振荡，是则降低K_p2直至波形振荡消除，转过程S303；否则，继续调试K_p2直至波形振荡消除；

S303：固定K_p2值，调试K_i2，查看此时输出功率波形是否波动，是则降低K_i2直至波形振荡消除；否则，继续调试K₂直至波形振荡消除；

S304：最终得到输出功率比例系数K_p2和输出功率积分系数K_i2。