一种DC-DC变换器、控制系统及电压平衡控制方法

本发明属于电力电子变换与控制，具体涉及一种dc-dc变换器、控制系统及电压平衡控制方法。

背景技术：

1、传统boost变换器结构简单，但在高增益运行条件下往往需要极高的占空比，这不仅导致开关器件电压应力显著增加，还会引起导通损耗增大、效率下降以及系统稳定性变差等问题。为解决该问题，现有技术通过引入多级储能与电压叠加机制，在较低占空比条件下实现较高电压增益。

2、然而，在多级开关电容结构的高增益dc-dc变换器中，由于电容器参数离散性、等效串联电阻差异、开关动作不一致以及温度变化等因素影响，各级电容电压容易偏离其理论设计值，导致电容电压分布不均衡。当电容电压失衡时，不仅会引起输出电压波动增大，还可能导致部分开关器件和二极管承受过高电压应力，从而降低系统可靠性并缩短器件使用寿命。针对上述问题，现有技术通常采用单一输出电压闭环控制方式进行调节，但该方法主要关注输出端稳压性能，难以对多级电容内部电压分布进行有效约束，因此无法从根本上解决电容电压不平衡问题。

3、中国专利公开号为cn107104590a，名称为一种基于开关电感的准开关升压dc/dc变换器的专利申请，第一二极管的阴极与直流输入电源的负极和第一开关管的源极连接；直流输入电源的正极与第一电感的一端、第二二极管的阳极和第六二极管阳极连接；第三二极管的阴极与第二电感的一端、第二二极管的阴极连接；第二电感的另一端与第四二极管阴极、第五二极管的阳极、第二开关管的漏极连接。该专利申请仅具有单个储能电容，不存在多级开关电容网络，因此无法解决因多级电容电压分布不均衡而导致的输出电压波动及功率器件电压应力增大的技术问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种dc-dc变换器、控制系统及电压平衡控制方法，针对现有高增益dc-dc变换器中多级开关电容网络存在电容电压分布失衡、输出电压稳定性下降以及功率器件电压应力增加问题，通过构建电容电压反馈闭环控制系统，实现多级电容电压平衡控制，提高变换器输出电压稳定性和运行可靠性，降低开关器件电压应力和系统损耗。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种dc-dc变换器，包括：第一电感l1、第二电感l2、第一开关管sw1、第二开关管sw2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、输出电容c5、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5和输出电阻r1；

4、输入电源vin的正极连接第一开关管sw1的漏极、第二电感l2的第一端和第一二极管d1的阳极；输入电源vin的负极连接第一电感l1的第二端、第二开关管sw2的源极、输出电容c5的第二端以及输出电阻r1的第二端；所述第一开关管sw1的源极连接第一电感l1的第一端、第一电容c1的第二端和第三电容c3的第二端；所述第一二极管d1的阴极连接第一电容c1的第一端和第二二极管d2的阳极；所述第二二极管d2的阴极连接第二电容c2的第一端和第三二极管d3的阳极；第三二极管d3的阴极连接第三电容c3的第一端和第四二极管d4的阳极，第四二极管d4的阴极连接第四电容c4的第一端和第五二极管d5的阳极；第五二极管d5的阴极连接输出电容c5的第一端和输出电阻r1的第一端；第二开关管sw2的漏极连接第二电感l2的第二端、第二电容c2的第二端和第四电容c4的第二端。

5、可选地，所述第一开关管sw1和第二开关管sw2均为金属氧化物半导体场效应晶体管或均为绝缘栅双极型晶体管。

6、可选地，所述第一电感l1与所述第二电感l2的电感值相等。

7、可选地，所述第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4和第五二极管d5均为快恢复二极管或肖特基二极管。

8、第二方面，本发明提供一种dc-dc变换器的电容电压平衡控制系统，包括输入电源vin、电压采样模块、控制器模块、pwm驱动模块以及所述的dc-dc变换器；所述电压采样模块用于实时采集第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3及第四电容c4的电压信号，并将采集信号发送至控制器模块；所述控制器模块用于根据输入电压及dc-dc变换器工作占空比计算各级电容参考电压值，并将实时采集的电容电压与对应参考电压进行比较，获得各级电容电压误差；根据各级电容电压误差构建综合电压平衡误差，并生成占空比补偿量；所述pwm驱动模块用于根据占空比补偿量修正第一开关管sw1和第二开关管sw2的驱动信号。

9、第三方面，本发明提供一种dc-dc变换器的电压平衡控制方法，应用于所述的变换器的电容电压平衡控制系统，包括以下步骤：

10、s1：采集第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的实际电压；

11、s2：根据输入电压vin与当前工作占空比d，依据变换器稳态工作模型计算各级电容的参考电压；

12、s3：将所述各级电容的实际电压与对应的参考电压进行比较，得到各级电容电压误差；

13、s4：根据各级电容在级联升压结构中的位置关系，对所述各级电容电压误差进行融合，构建综合电压平衡误差；

14、s5：根据所述综合电压平衡误差生成占空比补偿量δd；

15、s6：利用所述占空比补偿量修正pwm驱动信号占空比，得到修正后的占空比d；

16、s7：利用修正后的pwm驱动信号驱动变换器运行，实现输出电压稳定及各级电容电压平衡控制。

17、可选地，所述步骤s2中，第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和第四电容c4的电容理论电压参考值分别为：；；；；其中，vin为输入电压，d为占空比。

18、可选地，所述步骤s4中，综合电压平衡误差e的计算公式为：或。

19、可选地，所述步骤s4中，综合电压平衡误差e的计算公式为：e=k1e1+k2e2+k3e3+k4e4。其中，k为权重系数，将权重系数设定k为与参考电压成正比。

20、可选地，所述步骤s5中，所述占空比补偿量δd通过比例积分控制算法生成。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、本发明通过引入电容电压反馈控制机制，实现多级开关电容网络中各级电容电压的动态调节，提高电压分布均匀性；本发明在保证输出电压稳定的同时，有效降低功率器件和二极管的电压应力，提高系统可靠性；本发明通过对占空比进行动态补偿，实现变换器在不同工况下的自适应调节能力，提高系统动态响应性能；本发明无需增加额外功率开关器件，仅通过电压采样与数字控制算法即可实现电压平衡控制，结构简单、成本较低；适用于光伏发电系统、燃料电池系统、电动汽车供电系统及直流微电网等高增益直流变换应用场景。

23、进一步，通过本发明的控制方法，能够有效抑制多级开关电容网络中电压分布不均问题，提高输出电压稳定性，降低功率器件电压应力，并提升系统动态响应性能与运行可靠性。本发明结构简单、易于数字化实现，能够广泛应用于光伏发电、燃料电池、电动汽车及直流微电网等高增益直流变换场合。