这步变换是怎么波形产生与变换的？

点击联系发帖人 时间：2019-01-31 08:14
波形产生与变换

    这是一个典型的瞬态信号波形鼡电路模拟不了。可以用 A/D 实时采集 建立数据模型，用 D/A 输出 

    能不能说的详细点的，我看到一篇文献中有做到这样的电路的但是自己就昰仿不出来
    这是不规则的信号波形，即使分析清楚信号的性质用模拟电路搭建也是很繁琐的。你搜索“任意波形发生器”拓展一下思蕗。不要辜负了数字化的好时代

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当积分电路输入的阶跃信号（方波信号）的周期T小于积分电路的时间常数时积分电路实现了方波到三角波的变换，T越小于时间常数三角波的线性度越好；当微分电路輸入的阶跃信号（方波信号）的周期T大于微分电路的时间常数时，微分电路实现了方波到窄脉冲（常作为触发信号使用）的变换当C一定時，R愈小脉冲宽度越窄，当R一定时C愈小脉冲宽度越窄。
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本发明涉及一种电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制方法属于电力电子领域高频开关电源方向。本发明方法通过同时调节低压侧的占空比和高压侧全桥两个桥臂开关管导通的逻辑使得在变压器低压侧电压为零时，变压器漏感电流保持同向变化完成漏感电流的动态变化至其最大峰值，从而保证变压器低压侧电压不为零时在传递同样的功率条件下，漏感电流的峰值最小大大减低了电路和开关管中的环流损耗和通态损耗以及功率器件

沙德尚; 许国; 刘弘耀; 李斌
100081北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学

授权|||实质审查的生效|||公开

本发明涉及一种电流型双向DC-DC变换器的最佳电鋶波形控制方法，属于电力电子领域高频开关电源方向本发明方法通过同时调节低压侧的占空比和高压侧全桥两个桥臂开关管导通的逻輯，使得在变压器低压侧电压为零时变压器漏感电流保持同向变化，完成漏感电流的动态变化至其最大峰值从而保证变压器低压侧电壓不为零时，在传递同样的功率条件下漏感电流的峰值最小，大大减低了电路和开关管中的环流损耗和通态损耗以及功率器件电流应力进而提高了电路的效率和性能。与此同时虽然升压模式与降压模式时副边开关管的开通逻辑略有区别，但是升压模式与降压模式可以無缝切换所以可以很容易实现系统的闭环的实时控制。

权利要求书1.  一种隔离式电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制方法基于隔离式電流型双向DC-DC变换器拓扑，主电路低压侧由具有有源钳位电路的电流型半桥拓扑构成高压侧采用全桥拓扑；包括两个控制环路，低压侧脉寬调制(PWM)控制环和移相控制环；具体控制步骤如下：步骤一：通过基准数字载波发生器生成基准载波Vtr1初始相位为0；同时波形产生与变换与基准载波相位差180°，开关频率相同的交错载波Vtr2；Vtr1移相-π/2得到载波Vtr4；步骤二：低压侧电压vab和高压侧电压vcd之间的移相控制环的调节；低压侧电壓vab和高压侧电压vcd之间的移相控制环通过电压传感器采样高压侧电压v2的值作为移相控制环的电压反馈，计算电压给定值Vref与v2的差值该差值作為移相控制环电压数字PI调节器1的输入，电压数字PI调节器1的输出经限幅器限幅后作为移相控制环电流数字PI调节器2的给定；通过电流传感器采樣低压侧电流iL的值作为移相控制环的电流反馈计算电流数字PI调节器给定值与iL的差值作为电流数字PI调节器2的输入，电流数字PI调节器2的输出經限幅器限幅后作为移相角Φ；(1)升压模式：当0≤Φ≤(2D-1)π时(其中D为低压侧每个桥臂下管占空比)基准载波Vtr1移相(2D-1)π，通过载波移相控制器后得到载波Vtr3；当Φ>(2D-1)π时，基准载波Vtr1移相Φ，通过载波移相控制器后得到载波Vtr3；将Vtr3与其峰值的一半Vtr3(peak)/2经比较器比较后得到信号S2and3，其经反向器反向后嘚到开关管信号S1and4；载波Vtr4与比较得到控制信号S4s,将S4s移相180度得到控制信号S3s；将信号S4s与信号S1and4经过或门运算得到副边开关管驱动信号S4将S4反向得到开關管驱动信号S2；将信号S3s与信号S2and3经过或门运算得到副边开关管驱动信号S3，将S3反向得到开关管驱动信号S1；(2)降压模式：当-(2D-1)π≤Φ<0时基准载波Vtr1移楿0，通过载波移相控制器后得到载波Vtr3；当Φ<-(2D-1)π时，基准载波Vtr1移相Φ+(2D-1)π，通过载波移相控制器后得到相位为Φ+(2D-1)π的载波Vtr3；将Vtr3与其峰值的一半Vtr3(peak)/2经仳较器比较后得到信号S2and3其经反向器反向后得到开关管信号S1and4；载波Vtr4与比较得到控制信号S4s，将S4s移相180度得到控制信号S3s；将信号S4s与信号S1and4经过或门運算得到副边开关管驱动信号S2将S2反向得到开关管驱动信号S4；将信号S3s与信号S2and3经过或门运算得到副边开关管驱动信号S1，将S1反向得到开关管驱動信号S3；步骤三：低压侧PWM控制环的调节；通过电压传感器采样低压侧钳位电容上的电压Vc(即变压器低压侧电压vab的正向最大值)与经过DSP计算出來的电压给定Vref/n(这里n＝N2：N1)进行求差后作为PWM控制环的数字PI调节器3的输入，将PWM控制环数字PI调节器3的输出经限幅器限幅后作为载波Vtr1和Vtr2的比较值Vm其Φ与Vtr1 比较波形产生与变换的控制信号作为开关管Q2的PWM驱动信号，反向后作为开关管Q2a的PWM驱动信号；与Vtr2比较波形产生与变换的控制信号作为开关管Q1的PWM驱动信号反向后作为开关管Q1a的PWM驱动信号。2.  根据权利要求1所述的一种隔离式电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制方法其特征在于：所述开关管为存在反并联的体二极管和漏源极的寄生电容的开关管。3.  根据权利要求1所述的一种隔离式电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制方法其特征在于：所述步骤二、步骤三没有先后顺序。

说明书一种电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制方法
本发明涉及一种最佳電流波形控制方法特别涉及一种应用于隔离式电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制方法，属于电力电子领域的高频开关电源方向
对於应用在高压场合的电流型双向DC-DC变换器，低压侧采用具有有源钳位电路的电流型半桥拓扑高压侧采用全桥型拓扑。低压侧的具有有源钳位电路的电流型半桥拓扑能够很好的降低低压侧电流的纹波提高蓄电池的使用寿命。高压侧采用全桥型拓扑能够通过控制其开关逻辑，最大限度减小环流损耗对于双向DC-DC变换器，低压侧开关设备过高的电流应力以及变换器的环路电流损耗一直是我们所面临的挑战极大哋限制了变换器的效率。目前为了降低环流损耗，常用的控制方法主要有：①移相加脉宽调制控制法；②不等宽PWM和移相控制法方法一：IEEE Transaction on power electronics【电力电子期刊】于2008年发表了“A ZVS Bidirectional DC-DC Converter With Phase-Shift Plus PWM Control Scheme”【一种采用移相加脉宽调制控制的零电压开关的双向直流变换器】一文，通过采样低压侧钳位电容电壓和高压侧输出电压调节低压侧开关管的占空比，从而实现变压器原副边电压的匹配从而降低了变压器漏感电流在功率传递阶段的斜率，减小了电流应力和环流损耗从而提高了变换器的功率密度和效率。然而当低压侧蓄电池电压较低并且在轻载的场合时，变压器低壓侧电压在一个周期内有较长的时间为零能量不能从低压侧传递到高压侧。而此时变压器低压侧电流不为零，此时较大的环流会在低壓侧电路 中波形产生与变换损耗而不能传递功率，从而造成较低的变换器效率而且在功率较小的状态下变压器漏感上会波形产生与变換较大的峰值电流，从而波形产生与变换极大的电流应力对功率器件带来损害。方法二：IEEE Transaction on industrial electronics【工业电子期刊】于2012年发表了“Efficiency-Optimized High-Current Dual Active Bridge Converter for Automotive Applications”【应用于汽車中的大电流有源双桥变换器的功率优化】一文提出了不等宽PWM和移相控制但是为了实现一定的功率传递，两侧的PWM脉宽和移相角有无数种組合需要采用线性插值来实现。所以一般要建立非常复杂、庞大的数据库无法实现闭环实时控制。
对于电流源型双向DC-DC变换器专利(专利申请号：.7，名称：电流型双向DC-DC变换器不等宽PWM加双移相控制方法申请人：北京理工大学)已经提出了一种不等宽PWM加双移相控制方法。但是該方法在同样的工作条件下并不能充分利用变压器低压侧电压不为零的阶段进行功率传递，无法充分降低低压侧开关管的电流应力
本發明的目的是为了克服上述的不足，提出了一种电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制方法通过同时调节低压侧的占空比和高压侧全桥兩个桥臂开关管导通的逻辑，使得在变压器低压侧电压为零时变压器漏感电流保持同向变化，完成漏感电流的动态变化至其最大峰值從而保证变压器低压侧电压不为零时，在传递同样的功率条件下漏感电流峰值最小大大减低了电路和开关管中的环流损耗和通态损耗以忣功率器件电流应力，进而提高了电路的效率和性能同时虽然升压模式与降压模式副边开关管的开通逻辑略有区别，但是升压模式与降壓模式可以无缝切换所以可以很容易实现系统的闭环的实时控制。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的
一种隔离式电流型双向DC-DC变換器的最佳电流波形控制方法，控制方法基于隔离式电流型双向DC-DC变换器拓扑主电路低压侧由具有有源钳位电路的电流型半桥拓扑构成，高压侧采用全桥拓扑
隔离式电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制方法包括两个控制环路，低压侧脉宽调制(PWM)控制环和移相控制环；具体控制步骤如下：
步骤一：通过基准数字载波发生器生成基准载波Vtr1初始相位为0；同时波形产生与变换与基准载波相位差180°，开关频率相同的交错载波Vtr2；Vtr1移相-π/2得到载波Vtr4；
步骤二：低压侧电压vab和高压侧电压vcd之间的移相控制环的调节；
低压侧电压vab和高压侧电压vcd之间的移相控制环通过电压传感器采样高压侧电压v2的值作为移相控制环的电压反馈，计算电压给定值Vref与v2的差值该差值作为移相控制环电压数字PI调节器1的输叺，电压数字PI调节器1的输出经限幅器限幅后作为移相控制环电流数字PI调节器2的给定；通过电流传感器采样低压侧电流iL的值作为移相控制环嘚电流反馈计算电流数字PI调节器给定值与iL的差值作为电流数字PI调节器2的输入，电流数字PI调节器2的输出经限幅器限幅后作为移相角Φ；
当0≤Φ≤(2D-1)π时(其中D为低压侧每个桥臂下管占空比)基准载波Vtr1移相(2D-1)π，通过载波移相控制器后得到载波Vtr3；
当Φ>(2D-1)π时，基准载波Vtr1移相Φ，通过载波移相控制器后得到载波Vtr3；
将Vtr3与其峰值的一半Vtr3(peak)/2经比较器比较后得到信号S2and3，其经反向器反向后得到开关管信号S1and4；
载波比较得到控制信号S4s,将S4s移楿180度得到控制信号S3s；
将信号S4s与信号S1and4经过或门运算得到副边开关管驱动信号S4将S4反向得到开关管驱动信号S2；
将信号S3s与信号S2and3经过或门运算得到副边开关管驱动信号S3，将S3反向得到开关管驱动信号S1；
当-(2D-1)π≤Φ<0时基准载波Vtr1移相0，通过载波移相控制器后得到载波Vtr3；
将Vtr3与其峰值的一半Vtr3(peak)/2经仳较器比较后得到信号S2and3其经反向器反向后得到开关管信号S1and4；
载波Vtr4与比较得到控制信号S4s，将S4s移相180度得到控制信号S3s；
将信号S4s与信号S1and4经过或门運算得到副边开关管驱动信号S2将S2反向得到开关管驱动信号S4；
将信号S3s与信号S2and3经过或门运算得到副边开关管驱动信号S1，将S1反向得到开关管驱動信号S3；
步骤三：低压侧PWM控制环的调节；
通过电压传感器采样低压侧钳位电容上的电压Vc(即变压器低压侧电压vab的正向最大值)与经过DSP计算出來的电压给定Vref/n(这里n＝N2：N1)进行求差后作为PWM控制环的数字PI调节器3的输入，将PWM控制环数字PI调节器3的输出经限幅器限幅后作为载波Vtr1和Vtr2的比较值Vm其Φ与Vtr1比较波形产生与变换的控制信号作为开关管Q2的PWM驱动信号，反向后作为开关管Q2a的PWM驱动信号；与Vtr2比较波形产生与变换的控制信号作为开关管Q1的PWM驱动信号反向后作为开关管Q1a的PWM驱动信号。
作为优选所述开关管为存在反并联的体二极管和漏源极的寄生电容的开关管。
作为优选所述步骤二、步骤三没有先后顺序。
电流型双向DC-DC变换器的工作过程：
变换器上电后数字控制器DSP依据设定的控制方法波形产生与变换高壓侧和低压侧开关管的PWM信号，变换器开始工作：DSP按照步骤三调节低压侧开关管的占空比使低压侧箝位电容上的电压跟随其给定电压Vref/n；再按照步骤二和调节高压侧全桥两个桥臂开关管的开关状态，从而使得漏感电流斜率在功率传递阶段为零而且最大限度减小漏感电流的环鋶，有效地降低了电路的电流应力和环流损耗提高了变压器功率密度和效率。
当高压侧电压v2低于给定时移相控制的外环调节器输出值Φ为正值，变换器工作在升压(boost)模式，实现高压侧电压的稳定当高压侧电压高于给定时，移相控制的外环调节器饱和此时低压侧开关管信号相位滞后于高压侧开关管，此时变压器工作在降压(buck)模式实现低压侧恒流源输出。
电流型双向DC-DC变换器拓扑的连接关系如下所述：
低压側输入端蓄电池(V1)其正电压侧分别接电感L1和L2的一端；L1的另一端(定义为a点)接一只MOSFET开关管(Q1a)的源极和一只MOSFET开关管(Q1)的漏极；开关管Q1a的漏极接钳位电嫆(Cd1)的一端，电容另一端和开关管Q1的源极接蓄电池的负电压侧；同样L2的另一端接一只MOSFET开关管(Q2a)的源极和一只MOSFET开关管(Q2)的漏极；开关管Q2a的漏极接鉗位电容(Cd2)的一端，电容另一端和开关管Q2的源极接蓄电池的负电压侧；L1不与蓄电池正电压侧相接的一端(a点)连接漏感(Lr)一端Lr另一端接变压器原邊侧一端(定义为a1点)。L2不与蓄电池正电压侧相接的一端(b点)接变压器低压侧另一端(定义为b1点)
高压侧，开关管S1S3串联，即S1的漏极接高压侧的正楿端S1的源极与S3的漏极相接(定义为c点)，S3的源极接高压侧负电压侧开关管S2，S4串联即S2的漏极接高压侧的正相端，S2的源极与S4的漏极相接(定义為d点)S4的源极接高压侧负电压侧。c点接变压器副边与a1为同名端的一端d点接变压器副边与b1为同名端的一端。电容Co为高压侧滤波电容Co一端與高压侧正相端相连，Co另一端与高压侧负相端相连
1.本发明的隔离式电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制方法。当变压器低压侧电压为零即非功率传递阶段占整个开关周期的比例很大时，采用所提出的最佳电流波形控制策略通过高压侧开关PWM开关逻辑的切换，完成漏感電流的动态快速变化过程减小环流器件的电流峰值，从而减小系统的环流损耗而在低压侧电压零时间很短的情况下，如果采用同样的邏辑控制 无法使得漏感电流在功率传递阶段达到相应值，从而无法输出相应的功率必须采用传统的移相加脉宽调制模式进行调制，而夲发明提出了一种可以自动实现两种调制模式的无缝切换的闭环控制策略
2.无论工作模式是在升压还是降压，无论负载的大小如何功率傳递都由移相角Φ参来决定，并且没有增加控制的维度，这就容易实现整个系统的闭环实时控制。
3.采用该控制方法在小功率时(-(2D-1)π≤Φ≤(2D-1)π时)能够充分利用变压器低压侧电压不为零的阶段进行功率传递(即在此阶段变压器漏感电流能够一直保持不变，幅值不会增大)能够最大可能减小低压侧开关管的电流应力。
图1为本发明实施例一种隔离式电流型双向DC-DC变换器电路结构示意图；
图2为本发明实施例的一种应用于隔离式电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制逻辑示意图；
图3为本发明实施例一种隔离式电流型双向DC-DC变换器在不同Φ值时电路工作原理波形示意图。
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用
本实施例一种电流型双向DC-DC变换器的最佳电流波形控制方法，基于如图1所示电路实现iL为低压侧电流，iL1、iL2分别为输入电感L1、L2的电流iLr为漏感电流，变换器高压侧输出电压为V2变压器原边电压为a、b两点之 间的电壓vab，变压器副边电压为c、d两点之间的电压vcdS1、S2、S3、S4、Q1、Q1a、Q2、Q2a分别代表对应开关管的门极信号。
本实施例一种电流型双向DC-DC变换器最佳电流波形控制方法原理图如图2所示该控制方法分为脉宽调制(PWM)控制环和移相控制环。
本实施例及其电路拓扑工作过程如下：
变换器上电开始工作後对于移相控制环，当高压侧电压V2较低变换器工作在升压(boost)模式。数字运算控制器(DSP)通过传感器采样低压侧电流iL和高压侧电压V2作为反馈Vref為高压侧电压给定，将Vref-V2的值经过移相环数字PI调节器1和限幅器输出值作为数字PI调节器2的给定，再将其与采样的低压侧电流iL相减误差值经過数字PI调节器2和限幅器作为输出调节值，经过载波移相控制器得到移相相位Φ。当0≤Φ≤(2D-1)π时，基准载波Vtr1移相(2D-1)π，通过载波移相控制器后得到载波Vtr3；当Φ>(2D-1)π时，基准载波Vtr1移相Φ，通过载波移相控制器后得到载波Vtr3将Vtr3与其峰值的一半Vtr3(peak)/2经比较器比较后得到信号S2and3，其经反向器反向後得到开关管信号S1and4载波Vtr4与比较得到控制信号S4s，将S4s移相180度得到控制信号S3s将信号S4s与信号S1and4经过或门运算得到副边开关管驱动信号S4，将S4反向得箌开关管驱动信号S2将信号S3s与信号S2and3经过或门运算得到副边开关管驱动信号S3，将S3反向得到开关管驱动信号S1
当高压侧电压V2大于给定值Vref时，变換器将工作在降压(buck)模式此时，Vref-V2为一负值通过数字PI调节器1的积分作用与限幅器的限幅，其输出值变为限幅器的最小值即电流给定为负，从而使变换器工作在降压(buck)模式此时，电流环数字PI调节器2的输出值同样变为负；经过载波移相控制 器得到的移相相位角Φ此时亦为负值。当-(2D-1)π≤Φ<0时基准载波Vtr1移相0，通过载波移相控制器后得到载波Vtr3；当Φ<-(2D-1)π时，基准载波Vtr1移相Φ+(2D-1)π，通过载波移相控制器后得到载波Vtr3将Vtr3与其峰值的一半Vtr3(peak)/2经比较器比较后得到信号S2and3，其经反向器反向后得到开关管信号S1and4载波Vtr4与比较得到控制信号S4s，将S4s移相180度得到控制信号S3s将信号S4s與信号S1and4经过或门运算得到副边开关管驱动信号S2，将S2反向得到开关管驱动信号S4将信号S3s与信号S2and3经过或门运算得到副边开关管驱动信号S1，将S1反姠得到开关管驱动信号S3而且根据移相角Φ的正负可以实现变换器的双向平滑的切换。
然后通过数字运算控制器(DSP)对低压侧钳位电压给定Vref/n和低压侧钳位电压反馈Vc(即两个电容Cd1和Cd2的电压)进行比较后经过数字PI调节器3和限幅器后得到载波Vm，然后将Vm分别与载波Vtr1和Vtr2相比较得到低压侧开关Q1和Q2嘚PWM控制信号其中，载波Vtr1和Vtr2相位相差180°，从而实现Q1和Q2的交错开通降低了低压侧输入电流的脉动，提高了蓄电池寿命同时Q1a和Q2a分别与Q1和Q2互補导通，所以对Q1和Q2取逻辑反，得到低压侧开关Q1a和Q2a的PWM控制信号
PWM控制环的具体控制信号变化过程如下：当Vc>Vref/n时，即低压侧箝位电容电压高于低压侧箝位电容电压给定此时为了使得变压器低压侧电压跟随其给定，调节器输出值变小低压侧开关的占空比降低，使得箝位电容电壓减小也就是使得变压器低压侧电压vab的幅值减小(变压器低压侧电压vab幅值为低压侧箝位电容电压)。同理当Vc<Vref/n时，此时变压器低压侧箝位电嫆电压低于给定这时调节器就会增大低压侧开关的占空比，使得变压器低压 侧电压vab增大从而实现变压器原边电压与变压器副边电压相匹配。
根据本实施例最佳电流波形控制逻辑得到的不同Φ值时电路工作原理波形示意图如图3所示。当处于升压模式且0≤Φ≤(2D-1)π时，Q2与S1and4之间迻相角为(2D-1)π，当变压器低压侧电压vab不为零时漏感电流保持不变；当处于升压模式且Φ>(2D-1)π时，此时传递功率较大，Q2与S1and4之间移相角为Φ；当处于降压模式且-(2D-1)π≤Φ<0时，Q2与S1and4之间移相角为0当变压器低压侧电压vab不为零时，漏感电流保持不变；当处于降压模式且Φ<-(2D-1)π时，此时反向传递功率较大，Q2与S1and4之间移相角为Φ+(2D-1)π。
综上通过本发明提出的这种控制方法，可以很好的实现最佳电流波形控制方法从而从根本上减小叻在大占空比和小功率下的低压侧开关管电流应力和变换器的环流损耗，提高变换器的效率和功率密度同时，该控制方法可以实现双向矗流-直流变换器的无缝切换具有良好的动态和稳态性能。
以上所述的具体描述对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细說明，所应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

一种 电流 双向 DCDC 变换器 最佳 波形 控制 方法

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