一种双输入光伏直流电路的软开关控制方法与流程

1.本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种双输入光伏直流电路的软开关控制方法。


背景技术：

2.伴随光能作为清洁能源得到越来越多使用，双输入光伏直流优化器变得越来越重要，如何利用多个光伏组件将光能有效地转换为可存储的直流电成为双输入光伏直流优化的一个研究重点。双输入单电感降压变换器作为双输入光伏直流优化解决方案，具有结构简单、体积小、调压范围宽、易于控制等优点，广泛应用在光伏发电系统。双输入单电感降压变换器在实际工程中，通常控制工作在最大功率点，其中4个开关管中，多数情况只有一对开关管能实现零电压软开通，其他开关管只能硬开通，导致电路开通损耗较大和emc(electro magnetic compatibility)性能较差。
3.单输入降压变换器实现零电压软开通，只需控制工作在临界连续导通模式，利用死区时间内电感电流对开关管结电容的充放电，使开关管开通时刻漏源极电压降为0，而对于双输入单电感降压变换器，由于输入电压和开关状态存在差别，零电压软开通实现较复杂。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种双输入光伏直流电路的软开关控制方法，能够保证在输出电压和输出电流变化的情况下，所有开关管都能通过调整开关状态保持零电压软开通，提高变换器的适用性。
5.本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供双输入光伏直流电路的软开关控制方法，所述电路为双输入单电感降压变换器，所述双输入单电感降压变换器包括第一直流输入和第二直流输入，并通过开关管、电感和输出电容进行直流输出，其中，所述软开关控制方法包括：通过控制开关管的开关周期，实现所有开关管的软开通，并使得待打开的开关管满足零电压开通条件；通过控制开关管的占空比和死区时间，控制电感电流工作于临界连续导通模式，利用电感电流在开关管死区时间内对开关管结电容充放电，并通过调节输出电压和输出电流实现所有开关管的零电压软开通。
6.进一步地，所述第一直流输入通过第一输入电容连接开关管，所述第二直流输入通过第二输入电容连接开关管，所述连接开关管关包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
7.第一直流输入的正极连于第一开关管的漏极、第一输入电容的一端、输出电容的一端和直流输出的正极，第一直流输入的负极连于第二开关管的源极和第一输入电容的另一端，电感的一端和第一开关管的源极、第二开关管的漏极相连；第二直流输入的正极连于第三开关管的漏极和第二输入电容的一端，第二输入直流源的负极连于第四开关管的源极、第二输入电容的另一端、输出电容的另一端和直流输出的负极，电感的另一端和第三开
关管的源极、第四开关管的漏极相连。
8.进一步地，所有开关管的开关周期控制如下：to～t1时刻，第二开关管和第三开关管开通，第一开关管和第四开关管关断，电感两端电压为v
in1
v
in2-vo，电感电流上升，v
in1
是第一直流输入，v
in2
是第二直流输入，vo是直流输出；t1～t2时刻，第三开关管开通，第一开关管、第二开关管和第四开关管关断，电感和第一开关管、第二开关管的结电容谐振，电感电流给第一开关管的结电容放电，第一开关管的漏源极电压下降，给第二开关管的结电容充电，第二开关管的漏源极电压上升，使得第一开关管满足零电压开通条件；t2～t3时刻，第一开关管和第三开关管开通，第二开关管和第四开关管关断，电感两端电压为v
in2-vo，v
in2
》vo时电感电流上升，v
in2
《vo时电感电流下降，v
in2
＝vo时电感电流保持不变；t3～t4时刻，第一开关管开通，第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，电感和第三开关管、第四开关管的结电容谐振，电感电流给第三开关管的结电容充电，第三开关管的漏源极电压上升，给第四开关管的结电容放电，第四开关管的漏源极电压下降，使得第四开关管满足零电压开通条件；t4～t5时刻，第一开关管和第四开关管开通，第二开关管和第三开关管关断，电感两端电压为-vo，电感电流下降；t5～t6时刻，第一开关管、第二开关管，第三开关管和第四开关管均关断，电感和第一开关管、第二开关管，第三开关管、第四开关管的结电容谐振，电感电流给第一开关管、第四开关管的结电容充电，第一开关管的漏源极电压、第四开关管的漏源极电压上升，给第二开关管、第三开关管的结电容放电，第二开关管的漏源极电压、第三开关管的漏源极电压下降，使得第二开关管和第三开关管满足零电压开通条件。
9.进一步地，输出电压调节控制如下：先忽略死区时间影响，输出电压为：vo＝d
2vin1
d
3vin2
，第一开关管占空比为：d1＝1-d2，第四开关管占空比为：d4＝1-d3，改变第二开关管占空比、第三开关管占空比时，第一开关管占空比、第四开关管占空比也相应改变，d1、d2、d3、d4分别是第一、第二、第三、第四开关管的开关占空比；输出电压实际值通过采样获得，当输出电压或输出电压基准发生改变时，对输出电压进行pi调节，得到相应改变的第一开关管占空比、第二开关管占空比、第三开关管占空比、第四开关管占空比，再根据第一直流输入电压、第二直流输入电压采样值适当增加死区时间，通过pwm调制改变第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的开关状态，从而调节输出电压匹配输出电压基准，并实现软开关。
10.进一步地，输出电流调节控制如下：先忽略死区时间影响，输出电流为：io＝t[(1-d2)d
2vin1
(1-d3)d
3vin2
]/2lb，lb是电感，t是第一、第二、第三、第四开关管共同的开关周期；输出电流实际值通过采样获得，当输出电流或输出电流基准发生改变时，对输出电流进行pi调节，由于输出电压和输出电压基准均不变，所以第二开关管占空比、第三开关管占空比不变，只改变开关周期的值，通过pi调节得到相应改变的开关周期，再根据第一直流输入电压、第二直流输入电压采样值适当增加死区时间，通过pwm调制改变第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的开关状态，从而调节输出电流匹配输出电流基准，并实现软开关。
[0011]
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明通过对电路的建模和分析，提出一种双输入光伏直流电路的软开关控制方法，通过控制开关管的占空比、开关周期和死区时间，控制电感电流工作于临界连续导通模式，利用电感电流在开关管死区时间内对开关管结电容充放电，实现所有开关管的零电压软开通；双输入单电感降压变换器经上述优化
控制后，能够保证不同输出电压和输出电流情况下所有开关管的零电压软开通，提高变换器的适用性。
附图说明
[0012]
附图1是双输入单电感降压变换器电路结构；
[0013]
附图2是根据本发明的开关时序图；
[0014]
附图3是根据本发明的开关模态图；
[0015]
附图4是双输入单电感降压变换器的控制框图。
[0016]
以上附图中的符号名称：v
in1
、v
in2
分别是第一、第二直流输入；c
in1
、c
in2
分别是第一、第二输入电容；s1、s2、s3、s4分别是第一、第二、第三、第四开关管；lb是电感；co是输出电容；vo是直流输出；u
gs
是开关管驱动；i
lb
是电感电流；v
ds1
、v
ds2
、v
ds3
、v
ds4
分别是第一、第二、第三、第四开关管的漏源极电压；t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6分别是开关时序图中的七个时刻；ro是负载；io是输出电流；i
oref
是输出电流基准；v
oref
是输出电压基准；t是第一、第二、第三、第四开关管共同的开关周期；d1、d2、d3、d4分别是第一、第二、第三、第四开关管的开关占空比。
具体实施方式
[0017]
下面结合附图和实施例对发明进行进一步的阐释。
[0018]
为了实现本发明的技术方案，让更多的工程人员了解到本发明，下面将结合具体实施方式和控制方案，实现所有开关管的零电压软开关控制。
[0019]
图1展示了本发明应用场景之提供了双输入单电感降压变换器电路结构，包括第一直流输入v
in1
、第二直流输入v
in2
、第一输入电容c
in1
、第二输入电容c
in2
、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、电感lb、输出电容co和直流输出vo。
[0020]
具体地，第一直流输入v
in1
的正极连于第一开关管s1的漏极、第一输入电容c
in1
的一端、输出电容co的一端和直流输出vo的正极，第一直流输入v
in1
的负极连于第二开关管s2的源极和第一输入电容c
in1
的另一端，电感lb的一端和第一开关管s1的源极和第二开关管s2的漏极相连；第二直流输入v
in2
的正极连于第三开关管s3的漏极和第二输入电容c
in2
的一端，第二输入直流源v
in2
的负极连于第四开关管s4的源极和第二输入电容c
in2
的另一端、输出电容co的另一端和直流输出vo的负极，电感lb的另一端和第三开关管s3的源极、第四开关管s4的漏极相连。
[0021]
开关时序图2表示不同时刻双输入单电感降压变换器第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4的整体开通和关断情况，对应不同时段的双输入单电感降压变换器的6个开关模态如图3。
[0022]
软开关实现方式分析：图3中(a)对应图2的to～t1时刻，第二开关管s2和第三开关管s3开通，第一开关管s1和第四开关管s4关断，电感lb两端电压为v
in1
v
in2-vo，电感电流i
lb
上升；图3中(b)对应图2的t1～t2时刻，第三开关管s3开通，第一开关管s1、第二开关管s2和第四开关管s4关断，电感和第一开关管s1、第二开关管s2的结电容谐振，电感电流i
lb
给第一开关管s1的结电容放电，第一开关管的漏源极电压v
ds1
下降，给第二开关管s2的结电容充电，第二开关管的漏源极电压v
ds2
上升，为第一开关管s1的零电压开通创造条件；图3中(c)对应图2的t2～t3时刻，第一开关管s1和第三开关管s3开通，第二开关管s2和第四开关管s4关断，电
感lb两端电压为v
in2-vo，v
in2
》vo时电感电流i
lb
上升，v
in2
《vo时电感电流i
lb
下降，v
in2
＝vo时电感电流i
lb
保持不变；图3中(d)对应图2的t3～t4时刻，第一开关管s1开通，第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4关断，电感lb和第三开关管s3、第四开关管s4的结电容谐振，电感电流i
lb
给第三开关管s3的结电容充电，第三开关管的漏源极电压v
ds3
上升，给第四开关管s4的结电容放电，第四开关管的漏源极电压v
ds4
下降，为第四开关管s4的零电压开通创造条件；图3中(e)对应图2的t4～t5时刻，第一开关管s1和第四开关管s4开通，第二开关管s2和第三开关管s3关断，电感lb两端电压为-vo，电感电流i
lb
下降；图3中(f)对应图2的t5～t6时刻，第一开关管s1、第二开关管s2，第三开关管s3和第四开关管s4均关断，电感lb和第一开关管s1、第二开关管s2，第三开关管s3、第四开关管s4的结电容谐振，电感电流i
lb
给第一开关管s1、第四开关管s4的结电容充电，第一开关管的漏源极电压v
ds1
、第四开关管的漏源极电压v
ds4
上升，给第二开关管s2、第三开关管s3的结电容放电，第二开关管的漏源极电压v
ds2
、第三开关管的漏源极电压v
ds3
下降，为第二开关管s2和第三开关管s3的零电压开通创造条件。
[0023]
双输入单电感降压变换器的控制框图如图4。控制实现方式分析：图2的死区时间，即t1～t2时刻、t3～t4时刻、t5～t6时刻，相比整个开关周期t的占比很小，在计算输出电压vo和输出电流io时，死区时间影响可忽略。根据图2和图3的分析，输出电压vo和第一直流输入电压v
in1
、第二直流输入电压v
in2
、第二开关管占空比d2、第三开关管占空比d3有关，可表示为：vo＝d
2vin1
d
3vin2
。忽略死区时间影响，第一开关管占空比d1可表示为：d1＝1-d2。第四开关管占空比d4可表示为：d4＝1-d3。改变第二开关管占空比d2、第三开关管占空比d3时，第一开关管占空比d1、第四开关管占空比d4也要相应改变。输出电压vo实际值可通过采样获得，当输出电压vo或输出电压基准v
oref
发生改变时，对输出电压vo进行pi调节，得到相应改变的第一开关管占空比d1、第二开关管占空比d2、第三开关管占空比d3、第四开关管占空比d4，再根据第一直流输入电压v
in1
、第二直流输入电压v
in2
采样值适当增加死区时间，通过pwm调制改变第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4的开关状态，从而调节输出电压vo匹配输出电压基准v
oref
，并实现软开关。流过负载ro的电流为输出电流io，忽略死区时间影响，根据图2和图3的分析，输出电流io和第一直流输入电压v
in1
、第二直流输入电压v
in2
、第二开关管占空比d2、第三开关管占空比d3、开关周期t、电感值lb有关，可表示为：io＝t[(1-d2)d
2vin1
(1-d3)d
3vin2
]/2lb。输出电流io实际值可通过采样获得，当输出电流io或输出电流基准i
oref
发生改变时，对输出电流io进行pi调节，由于输出电压vo和输出电压基准v
oref
均不变，所以第二开关管占空比d2、第三开关管占空比d3不变，因此只改变开关周期t的值，通过对输出电流的pi调节得到相应改变的开关周期t，再根据第一直流输入电压v
in1
、第二直流输入电压v
in2
采样值适当增加死区时间，通过pwm调制改变第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4的开关状态，从而调节输出电流io匹配输出电流基准i
oref
，并实现软开关。
[0024]
上述实施方式仅是示例性的示出本发明，并不企图限制本发明。另外对于没有详细描述的步骤属于本领域技术人员熟知的技术内容。对于涵盖在本发明构思内的相应的变换和更改均在本发明范围内。