一种高增益双向变换器及其控制方法

1.本发明属于变换器技术领域，具体涉及一种高增益双向变换器及其控制方法。


背景技术：

2.高增益双向变换器可应用于储能系统、新能源发电系统、工业水处理系统。高压脉冲变换器目前主要分成两大类：传统的脉冲变换器和固态脉冲变换器。传统的脉冲变换器被广泛应用的类型有：单开关斩波型；marx型；磁脉冲压缩；脉冲形成线。固态脉冲发生器主要分为三种，一种是非基于模块化多电平转换器(modular multilevel converter,mmc)的脉冲变换器，一种是基于mmc的脉冲变换器和一种混合型的脉冲变换器。专利申请号为(201710019493.7)公开了一种非基于mmc拓扑，通过更少的开关管和更多的控制来改善marx脉冲发生器的结构，但该方法开关管的电流额定值并不相同，因此缺乏模块化；同时如果需要产生双极性脉冲，则在负载之间以差分连接时，需要使用两个相同的拓扑，因此缺乏通用性。mohamed a.elgenedy等人2019年在ieee transactions on power electronics发表文章a modular multilevel voltage-boosting marx pulse-waveform generator for electroporation applications中提出了一种混合拓扑，模块电容电压值可以高于低压直流输入，因此生成高压脉冲时不再是通过单一的模块堆叠，而是升压电路增益和模块数量共同实现。此外，混合型脉冲变换器前后级集成度较高，其充电元件，例如电感，可由升压电路中的电感元件代替，有效的降低元件数量。但生成正负脉冲时需两组sm模块。d.malviya等人2020年在ieee transactions on industry applications发表a boost converter-based high-voltage pulsed-power supply中提出了提出一种采用单组sm模块实现双极性高压脉冲的拓扑结构，减少无源器件的数量，并提高了电路增益，但在同等的直流电压输入的情况下，其升压电路需要提供更高的电压增益。.


技术实现要素：

3.本发明需要解决的技术问题是提供一种能够成倍提高电压增益的拓扑结构，同时抑制充电电流峰值且降低充电损耗，并且在单电压传感器下即可实现闭环控制生成双极性高压脉冲。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
5.一种高增益双向变换器，第一电感l1、第二电感l2、第一～第五开关管s、第一～第(m 1)二极管db、第一～第m sm1单元、第一～第n sm2单元，sm1单元为半桥mmc模块，sm2单元为可充电和双向放电的mmc子模块；
6.第一电感l1首端连接到输入直流电压v
in
的正极，尾端同时连接到第一二极管d
b1
的首端和第一开关管s1的首端；第一开关管s1的尾端同时连接第一sm1单元的连接点b1、第一sm2单元的连接点e1和第三开关管s3的尾端；第一二极管d
b1
的尾端同时连接到第二二极管d
b2
的首端和第一sm1单元的连接点c1；第二电感l2首端连接到第m sm1单元连接点am；第二电感l2尾端连接到第(m 1)二极管d
bm 1
首端；第(m 1)二极管d
bm 1
尾端连接到第一sm2单元连接
点d1；第四开关管s4的首端同时连接到第五开关管s5的尾端和输出脉冲电压vo的负极；第二开关管s2的尾端同时连接第三开关管s3的首端和vo的正极。
7.本发明技术方案的进一步改进在于：第一sm1单元的连接点a1与第二sm1单元的连接点b2相连接；第一sm1单元的连接点b1同时连接第一开关管s1的尾端，第一sm2单元的连接点e1和第三开关管s3的尾端相连接；第二sm1单元的连接点a2与第m sm1单元的连接点bm相连接；第二二级管d
b2
的尾端同时连接第m二极管d
bm
的首端和第二sm1单元的连接点c2；第m二极管d
bm
的尾端连接到第m sm1模块的连接点cm；第m sm1模块的连接点am同时连接第二开关管s2的首端和第二电感的首端。
8.本发明技术方案的进一步改进在于：第二电感l2的尾端连接到第(m 1)二极管d
bm 1
的首端；第(m 1)二极管d
bm 1
的尾端与第一sm2单元的连接点d1相连接；第n sm2单元的连接点fn连接到第五开关管s5的首端；第n sm2单元的连接点gn连接到第四开关管s4的尾端；第一sm2单元的连接点f1连接到第二sm2单元的连接点d2；第一sm2单元的连接点g1连接到第二sm2的连接点e2；第二sm2单元的连接点f2连接到第n sm2单元的连接点dn；第二sm2单元的连接点g2连接到第n sm2单元的连接点en。
9.本发明技术方案的进一步改进在于：第一～第m sm1单元中电容ca1～cam的首端同时连接连接点ci(＝1，2，
…
，m)和第一开关管tx的首端；电容ca的尾端同时连接连接点bm和第二开关管tm的尾端；第一开关管tx与第二开关管tm的连接点与连接点an相连接。
10.本发明技术方案的进一步改进在于：第一～第n sm2单元中电容cb1～cbn的首端同时连接连接点fj(j＝1，2，
…
，n)，第一开关管qa的尾端和第三开关管qc的首端相连接；电容cb的尾端同时连接连接点gn，第二开关管qb的首端和第四开关管qd的首端相连接；第一开关管qa的首端同时连接到第四开关管qd的尾端和连接点dn相连接；第三开关管qc的尾端同时连接到第二开关管qb的尾端和连接点en。
11.如上所述的一种高增益双向变换器的控制方法，输出电压阶跃幅值采样环节，误差计算环节，传递函数运算环节，载波环节，比较环节，延迟环节以及驱动信号产生环节。
12.本发明技术方案的进一步改进在于：所述载波环节和所述比较环节均采用dsp内部pwm模块寄存器，所述延迟环节采用dsp内部时基模块寄存器，所述驱动信号dsp内部pwm模块。
13.本发明技术方案的进一步改进在于：利用dsp内部pwm模块寄存器、dsp内部时基模块寄存器和dsp内部epwm模块同时发送控制开关管的驱动信号。
14.由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
15.该拓扑能够成倍提高电压增益，同时抑制充电电流峰值且降低充电损耗，并且在单电压传感器下即可实现闭环控制生成双极性高压脉冲。
附图说明
16.图1是本发明的高增益双向变换器的电路拓扑结构图；
17.图2是本发明的sm1单元模块电路拓扑结构图；
18.图3是本发明的sm2单元模块电路拓扑结构图
19.图4是本发明的高增益双向变换器的控制方法原理图；
20.图5是本发明的控制高增益双向变换器的控制方法时，输入电压和输出高压脉冲
波形图。
具体实施方式
21.下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
22.根据图1所示，本发明一种高增益双向变换器，第一电感、第二电感、第一～第五开关管、第一～第(m 1)二极管、第一～第m sm1单元、第一～第n sm2单元，所述sm1单元为半桥mmc模块，所述sm2单元为可充电和双向放电的mmc子模块。
23.第一电感l1首端连接到输入直流电压v
in
的正极，尾端同时连接到第一二极管d
b1
的首端和第一开关管s1的首端；第一开关管s1的尾端同时连接第一sm1单元的连接点b1、第一sm2单元的连接点e1和第三开关管s3的尾端；第一二极管d
b1
的尾端同时连接到第二二极管d
b2
的首端和第一sm1单元的连接点c1；第二电感l2首端连接到第m sm1单元连接点am；第二电感l2尾端连接到第(m 1)二极管d
bm 1
首端；第(m 1)二极管d
bm 1
尾端连接到第一sm2单元连接点d1；第四开关管s4的首端同时连接到第五开关管s5的尾端和输出脉冲电压vo的负极；第二开关管s2的尾端同时连接第三开关管s3的首端和vo的正极。
24.第一sm1单元的连接点a1与第二sm1单元的连接点b2相连接；第一sm1单元的连接点b1同时连接第一开关管s1的尾端，第一sm2单元的连接点e1和第三开关管s3的尾端相连接；第二sm1单元的连接点a2与第m sm1单元的连接点bm相连接；第二二级管d
b2
的尾端同时连接第m二极管d
bm
的首端和第二sm1单元的连接点c2；第m二极管d
bm
的尾端连接到第m sm1模块的连接点cm；第m sm1模块的连接点am同时连接第二开关管s2的首端和第二电感的首端。
25.第二电感l2的尾端连接到第(m 1)二极管d
bm 1
的首端；第(m 1)二极管d
bm 1
的尾端与第一sm2单元的连接点d1相连接；第n sm2单元的连接点fn连接到第五开关管s5的首端；第n sm2单元的连接点gn连接到第四开关管s4的尾端；第一sm2单元的连接点f1连接到第二sm2单元的连接点d2；第一sm2单元的连接点g1连接到第二sm2的连接点e2；第二sm2单元的连接点f2连接到第n sm2单元的连接点dn；第二sm2单元的连接点g2连接到第n sm2单元的连接点en。
26.下面对本发明提出的高压脉冲模块化变换器进行了实验验证，其中m＝2，n＝2，即使用了2个sm1单元和2个sm2单元。
27.如图2所示sm1单元包括两个直流输入滤波电容分别为c
a1
,c
a2
,两个开关器件分别为t
x
,tm；
28.如图3所示sm2单元包括两个直流输入滤波电容为c
b1
,c
b2
,，四个开关器件分别为qa,qb,qc,qd；
29.(m 1)个二极管分别为d
b1
～d
bm 1
；
30.两个充电电感分别为l1,l2；
31.m个sm1单元分别为sm
11
～sm
1m
，具体形式如图1所示；
32.n个sm2单元分别为sm
21
～sm
2n
，具体形式如图1所示；
33.如图2所示sm1单元直流输入滤波电容分别为c
a1
,c
a2
与两个开关器件t
x
,tm的连接方式是：
34.第一～第m sm1单元中电容ca的首端同时连接连接点ci(i＝1，2)和第一开关管t
x
的首端；所述电容ca的尾端同时连接连接点b2和第二开关管tm的尾端；所述第一开关管t
x
与所述第二开关管tm的连接点与连接点a2相连接。
35.如图3所示sm2单元直流输入滤波电容为c
b1
,c
b2
与四个开关器件qa,qb,qc,qd的连接方式是：
36.第一～第二sm2单元中电容ca的首端同时连接连接点fj(j＝1，2)，第一开关管qa的尾端和第三开关管qc的首端；所述电容ca的尾端同时连接连接点g2，第二开关管qb的首端和第四开关管qd的首端；所述第一开关管qa的首端同时连接到所述第四开关管qd的尾端和连接点d2相连接。所述第三开关管qc的尾端同时连接到第二开关管qb的尾端和连接点e2。
37.二极管d
b1
～d
bm 1
,充电电感l1,l2,sm1，sm2单元的具体连接方式为：
38.第一电感l1首端连接到输入直流电压v
in
的正极，尾端同时连接到第一二极管的首端和第一开关管s1的首端；所述第一开关管s1的尾端同时连接第一sm1单元的连接点b1，第一sm2单元的连接点e1和第三开关管s3的尾端；所述第一二极管d1的尾端同时连接到第二二极管d2的首端和第一单元的连接点c1。
39.第一sm1单元的连接点a1与第二sm1单元的连接点b2相连接；所述第一sm1单元的连接点b1同时连接第一开关管s1的尾端，第一sm2单元的连接点e1和第三开关管s3的尾端；所述第二sm1单元的连接点a2与第m sm1单元的连接点bm相连接；所述第二二级管的尾端同时连接第m二极管的首端和第二sm1单元的连接点c2；所述第m二极管的尾端连接到m sm1模块的连接点cm；所述第m sm1模块的连接点am同时连接第二开关管s2的首端和第二电感
l2
的首端。
40.所述第二电感l2的尾端连接到第(m 1)二极管的首端；所述(m 1)二极管的尾端与第一sm2单元的连接点d1相连接；所述第二开关管s2的尾端同时连接第三开关管s3的首端和输出脉冲电压vo的正极；所述第n sm2单元的连接点fn连接到第五开关管s5的首端；所述第n sm2单元的连接点gn连接到第四开关管s4的尾端；所述第四开关管s4的首端同时连接到第五开关管s5的尾端和vo的负极；所述第一sm2单元的连接点f1连接到第二sm2单元的连接点d2；所述第一sm2单元的连接点g1连接到第二sm2的连接点e2；所述第二sm2单元的连接点f2连接到第n sm2单元的连接点dn；所述第二sm2单元的连接点g2连接到第n sm2的连接点en。
41.如图4所示，本发明提供了一种高增益双向变换器的控制方法，控制方法包含输出电压阶跃幅值采样环节，传递函数运算环节，载波环节，比较环节，延迟环节以及驱动信号产生环节；
42.将采样的输出电压脉冲幅值与参考电压比较，将误差信号经过pi控制器后得到调制波，并最后与载波进行比较，得到前级驱动信号。
43.为转换器控制器提供以恒定采样频率测量的输出电压幅值。可采用图3的电压采样方法，在每个脉冲重复周期中正脉冲幅值出进行采样。在每次充放电开关切换，当状态s会发生改变，vo可以通过以下方法间接测量：
[0044][0045]
其中，v
′
和s
′
是过渡之前的量(输出电压阶跃)，而v
″
和s
″
是过渡之后的值。提出的策略不依赖于直接测量。它监视输出电压上的电压阶跃，因此，测量产生该阶跃的电容器的电压。这种策略在每个开关时刻为具有相等电容器电压的模块化转换器(例如级联h桥转换器)提供了一种测量方法。但是，该策略的缺点是，当多个电容器没有同时切换以采样到与
低于幅值电压的阶跃时，它无法提供准确的测量结果。从图3可以看出，这种情况在mmc转换器中的大多数情况下都会发生，因为两个相邻电容器的同时开关会产生电压阶跃。因此，在该策略中，需要在发生电压阶跃的一小段时间后，在进行电压采样，已达到与实际值最为接近的测量值。电压误差计算环节的计算公式为式(2)；
[0046]
δuo＝v
o*-vo…………………………………………
(2)
[0047]
其中，δuo为输出电压误差量，vo为输出电压参考，v
o*
为输出电压反馈，输出电压反馈可由电压传感器获得。
[0048]
传递函数运算环节中的传递函数为式(2)；
[0049][0050]
输出电压误差量
△
uc经过传递函数后的输出量，可得调制比δ，调制比δ的计算公式为式(3)；
[0051][0052]
其中，k1,k2,λ均为系数，s为拉普拉斯算子，电压控制环中k1＝0.0001，k2＝0.2，λ＝1。
[0053]
载波环节中的产生模块和比较环节中的产生模块均为dsp(digital signal processing)内部pwm模块寄存器；
[0054]
延迟环节中的产生模块为dsp内部时基模块寄存器；
[0055]
驱动信号中的产生模块为dsp的epwm模块。
[0056]
m取2，n取2，输入电压为50v且控制同控制方法时，输出高压脉冲波形图见图5。
[0057]
以上所述的实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。