Способ управления двунаправленным изолированным преобразователем мощности с поддержанием магнитного баланса Российский патент 2024 года по МПК H02M1/40 

Изобретение может быть использовано в источниках бесперебойного питания, а также в схемах заряда и разряда аккумуляторных батарей.

В настоящее время изолированные DC/DC преобразователи широко используются во многих применениях, где требуется изоляция между входным и выходным портами преобразователя. Чтобы достичь изоляции используется трансформатор, который работает с частотой коммутации преобразователя. Насыщение трансформатора вызывается неравномерным распределением интеграла положительных и отрицательных вольт-секунд, прикладываемых к трансформатору из-за неравномерных коэффициентов заполнения ключевых элементов и/или неравномерных падений напряжения на этих устройствах. Неравномерные коэффициенты заполнения ключей вызваны неравномерными задержками сигналов управления и/или неравномерными задержками включения и выключения переключающих устройств.

Для предотвращения насыщения трансформатора использовались несколько пассивных и активных методов (патент US11594976). Пассивные методы включают разработку трансформаторов с большим воздушным зазором или использование последовательного конденсатора. Однако, такие пассивные методы не желательны для современных устройств из-за увеличения размеров и стоимости.

Активные методы включают регулирование составляющей постоянного тока в токе намагничивания. Средняя величина намагничивающего тока измеряется путем использования датчика плотности магнитного потока или путем вычисления разности между токами первичной и вторичной обмоток трансформатора и управление на основе этой разности соотношением времен включенного и выключенного состояний ключей первого и второго преобразователей, с возможностью устранения блокирующего конденсатора постоянного тока.

Примером такого технического решения является преобразователь мощности по патенту JP202204392. Устройство преобразования энергии по патенту JP2022043921 включает двойной активный мост (DAB) и схему управления. Двойной активный мост включает первую мостовую схему, преобразующую постоянное напряжение в переменное, вторую мостовую схему, преобразующую переменного напряжение в постоянное, дроссели и трансформатор, включенные между мостовыми схемами, а также входной и выходной источники питания. Кроме того, в схему включены датчики тока, измеряющие ток в первичной и вторичной обмотках упомянутого трансформатора. Недостатками такого решения является сложность схемы и необходимость использования большого количества микросхем иностранного производства.

При передаче мощности от первой мостовой схемы ко второй мостовой схеме с понижением или повышением напряжения, схема управления регулирует отношение времени включения и времени выключения сигнала возбуждения, подаваемого на, по меньшей мере, один переключающий элемент из множества переключающих элементов (Q1-Q8), включенных в первую мостовую схему и вторую мостовую схему, таким образом, чтобы подавить постоянную составляющую тока, который протекает через трансформатор и обнаруживается первым датчиком тока. Аналогично, при передаче мощности от второй мостовой схемы - к первой мостовой схеме.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является схема магнитного баланса двунаправленного резонансного преобразователя и способ управления по патенту US11329571. В указанном патенте отмечается, что данный способ может так же применяться для управления двойным активным мостом.

Способ управления контуром магнитного баланса двунаправленного изолированного преобразователя по патенту US11329571 заключается в измерении контроллером положительной составляющей тока в цепи вторичной преобразовательной схемы и отрицательной составляющей тока в цепи вторичной преобразовательной схемы; выполнении контроллером интегрирования положительной составляющей и интегрирования отрицательной составляющей тока, вычитании отрицательной составляющей тока из положительной составляющей тока, чтобы получить их разность, и затем в управлении на основе этой разности коэффициентами заполнения ключей вторичной схемы, при этом, когда эта разность больше 0, то коэффициенты заполнения шестого и седьмого ключей (т.е. в диагонали моста) устанавливаются равными 50%, а коэффициенты заполнения пятого ключа и восьмого ключа (в другой диагонали) снижаются; когда эта разность меньше 0, коэффициенты заполнения пятого и восьмого ключей устанавливаются 50%, а коэффициенты заполнения шестого и седьмого ключей снижаются; когда эта разность равна 0 коэффициенты заполнения пятого, шестого, седьмого и восьмого ключей не изменяются.

Недостатками прототипа являются наличие в схеме блокирующего конденсатора, который вводится в схему по причине отсутствия измерения тока первичной обмотки трансформатора и увеличивает массогабаритные параметры системы, а также измерение тока вторичной обмотки, осуществляемое аналоговым способом, что снижает точность измерения тока замагничивания. Еще одним недостатком является то, что компенсация замагничивания производится уменьшением времени включенного состояния одной или другой диагонали вторичного моста, что уменьшает максимальную передаваемую мощность.

Таким образом, задачей изобретения является предотвращение насыщения трансформатора двунаправленного изолированного преобразователя, а также снижение массогабаритных параметров схемы за счет исключения блокирующего конденсатора, введение бестоковой паузы между переключениями транзисторов ведущего и ведомого мостов, а также организация системы компенсации замагничивания таким образом, чтобы предотвратить потерю передаваемой мощности.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления двунаправленным изолированным преобразователем, содержащим ведущий мостовой преобразователь, образованный первым и вторым плечами, ведомый мостовой преобразователь, образованный первым и вторым плечами, трансформатор с первичной обмоткой, соединенной с ведущим мостовым преобразователем, и вторичной обмоткой, соединенной с ведомым преобразователем, дроссель, датчик тока, модуляторы, управляющие ведущим и ведомым мостами, а также систему управления, заключающемся в измерении токов вторичной обмотки трансформатора, усреднении измеряемых токов за период, вычитании усредненных значений токов, и управлении на основе этой разности длительностями включенного и выключенного состояний ключей ведомого преобразователя, дополнительно в качестве модуляторов используют фазоимпульсные модуляторы и измеряют ток первичной обмотки трансформатора, операцию вычитания производят для токов первичной и вторичной обмоток, на основе этой разности с помощью ПИД регулятора формируют сигнал компенсации, изменяющий пороги срабатывания фазоимпульсного модулятора, управляющего ключами ведомого мостового преобразователя, причем, если эта разность больше нуля, посредством этого сигнала уменьшают длительность включенного состояния верхнего из ключей первого плеча ведомого преобразователя, а длительность включенного состояния другого ключа этого плеча ведомого преобразователя увеличивают на эту же величину, если эта разность меньше нуля, увеличивают длительность включенного состояния верхнего из ключей первого плеча ведомого преобразователя, а длительность включенного состояния другого ключа этого плеча уменьшают на эту же величину.

Далее сущность изобретения поясняется на примере топологии двойного активного моста с помощью рисунков, на которых представлено: на фиг. 1 - электрическая схема двойного активного моста; на фиг. 2 - схема управления двойным активным мостом; на фиг. 3 - диаграмма управления транзисторами двойного активного моста без введения бестоковой паузы и управления контуром магнитного баланса; фиг. 4 - временная диаграмма работы блока синхронизации модуляторов; фиг. 5 - временные диаграммы работы устройства управления при положительном замагничивании, фиг. 6 - временные диаграммы работы устройства управления при отрицательном замагничивании.

Двойной активный мост, показанный на фиг. 1, содержит ведущий мост 1, где транзисторы VT1 - VT2 образуют первое плечо моста, а транзисторы VT3 - VT4 образуют второе плечо моста; ведомый мост 2, где транзисторы VT5 - VT6 образуют первое плечо, а транзисторы VT7 - VT8 образуют второе плечо; дроссель 3; трансформатор 4; индуктивность намагничивания трансформатора Lm 5; фильтрующие конденсаторы 6 и 7; источники питания 8 и 9.

Устройство управления двойным активным мостом (фиг. 2), реализующее предложенный способ, содержит генератор тактового сигнала 10, два фазоимпульсных модулятора 11 и 12, предназначенных для управления ведущим и ведомым мостами соответственно, интегратор разности тока обмоток 13, на который подаются аналоговые сигналы I_w1 и I_w2 - мгновенные значения токов первичной и вторичной обмотки, ПИД-регулятор 14, блок синхронизации модуляторов ведущего и ведомого мостов 15, который состоит из схемы управления двоичным счетчиком 16, двоичного мастер-счетчика 17, двух компараторов 18 и 19, и двух логических элементов И 20 и 21.

Устройство управления двойным активным мостом имеет восемь входов, предназначенных для подачи сигналов тактового генератора, сигнала предела счета ПС, сигнала бестоковой паузы БТП, сигнала скважности ведущего моста D1, скважности ведомого моста D2, сигнала фазового сдвига ведомого моста относительно ведущего моста D3, аналоговых сигналов измеренного тока первичной и вторичной обмоток трансформатора. Схема управления счетчиком 16 имеет три входа, предназначенных для подачи сигналов тактового генератора, сигнала предела счета ПС, сигнала значения регистра мастер-счетчика, который поступает с выхода мастер-счетчика 17. При этом на первый вход первого компаратора 18 подается сигнал половины предела счета ПС/2, а на первый вход второго компаратора 19 подается сигнал фазового сдвига ведомого моста относительно ведущего D3, а вторые входы компараторов соединены с выходом мастер-счетчика 17. Выходы компараторов 18, 19 соединены попарно с первыми входами элементов И 20 и 21, на вторые входы элементов И от схемы управления счетчиком 16 поступает сигнал направления счета Cdir. При формировании пилообразного напряжения сигнал Cdir устанавливается в состояние «1», сигнализируя о направлении пилы вверх, или в состояние «0», сигнализируя о направлении пилы вниз. Первый выходной сигнал блока синхронизации SYNC1 поступает на второй вход фазоимпульсного модулятора 11, второй выходной сигнал блока синхронизации SYNC2 - на второй вход модулятора 12, кроме того на входы двух фазоимпульсных модуляторов поступают сигнал тактового генератора, сигнал предела счета ПС, сигнал бестоковой паузы БТП. Дополнительно к перечисленным на вход модулятора 11 поступает сигнал скважности ведущего моста D1, а на вход модулятора 12 дополнительно поступает сигнал скважности ведомого моста D2 и сигнал компенсирования замагничивания магнитопровода ТМС. Сигнал ТМС поступает от ПИД-регулятора 14, на вход которого поступает сигнал с интегратора разности тока обмоток 13, выходы фазоимпульсных модуляторов 11 и 12 являются импульсами управления ключами ведущего и ведомого моста соответственно.

Устройство управления двойным активным мостом с поддержанием магнитного баланса работает следующим образом:

Диаграмма управления транзисторами двойного активного моста без введения бестоковой паузы и без управления контуром магнитного баланса показана на фиг. 3. Традиционно все транзисторные плечи двойного активного моста управляются парафазными сигналами с относительной длительностью управляющих импульсов 50%. В устройство управления введены фазовые сдвиги сигналов в ведущем и ведомом мосте независимо друг от друга, а именно:

- Фазовый сдвиг ведущего моста (а именно запаздывание переключения плеча VT3-VT4 относительно плеча VT1- VT2) определяется переменной D1. Диапазон изменения переменной D1 равен [0; 1].

- Фазовый сдвиг ведомого моста (а именно запаздывание переключения плеча VT7- VT8 относительно плеча VT5 - VT6) определяется переменной D2. Диапазон изменения переменной D2 равен [0; 1].

- Фазовый сдвиг ведомого моста относительно ведущего моста (а именно запаздывание переключения плеча VT5- VT6 относительно плеча VT1- VT2) определяется переменной D3. Диапазон изменения переменной D3 равен [-0.5; 0.5].

Управление контуром магнитного баланса двойного активного моста включает в себя измерение токов первичной и вторичной обмотки трансформатора I_w1 и I_w2. Ток замагничивания трансформатора, пропорциональный величине смещения рабочей точки магнитопровода, будет равен разности этих токов:

Однако в инженерной практике удобнее работать с усредненными за период значениями приведенных токов:

В предлагаемом решении измерение тока осуществляется цифровым способом, для чего из оцифрованного сигнала токов I_w1 и I_w2 запоминаются и суммируются последние N значений, после чего сумма делится на количество отсчетов N. При поступлении нового по времени отсчета самый старый отсчет из суммы вычитается, а самый новый - прибавляется. Если , то рабочая точка трансформатора смещена вверх, если , то она смещена вниз.

Для смещения рабочей точки предлагается приложить к трансформатору постоянное напряжение на время необходимое для снижения тока до нуля. Это предлагается сделать за счет устройства управления, искусственно нарушая симметрию управляющих сигналов первого плеча ведомого моста (VT5- VT6).

В предложенном решении ведущий и ведомый мосты синхронизируются относительно друг друга с помощью блока синхронизации модуляторов 15. Блок синхронизации модуляторов 15 генерирует пилу, имеющую форму равнобедренного треугольника, и сравнивает пилу с двумя значениями: половина предела счета при счете пилы вверх, и D3 - фазовый сдвиг ведомого моста относительно ведущего. При пересечении пилы и половины предела счета при счете пилы вверх (Сdir=1) формируется сигнал синхронизации ведущего моста SYNC1, который подается на модулятор 11. При пересечении пилы и фазового сдвига ведомого моста относительно ведущего формируется сигнал синхронизации ведомого моста SYNC2, который подается на модулятор 12. Временная диаграмма работы блока синхронизации показана на фиг. 4. Как показано на фиг. 4, в фазоимпульсных модуляторах генерируются пилообразные сигналы согласно поступающим сигналам синхронизации SYNC1 и SYNC2.

На входы фазоимпульсных модуляторов поступают сигналы, на основе которых формируются пороги срабатывания ключей. Для фазоимульсного модулятора 11 это следующие сигналы: ПС (предел счета, задается один раз при инциализации), БТП (бестоковая пауза, задается один раз при инциализации). Для фазоимпульсного модулятора 12 это сигналы: ПС (предел счета), БТП (бестоковая пауза), ТМС (сигнал компенсирования замагничивания магнитопровода). На основе этих сигналов фазоимпульсный модулятор 11 с помощью логической схемы, запрограммированной соответствующим образом, формирует следующие пороги срабатывания:

;

;

;

;

;

.

Для управления магнитным балансом трансформатора к порогам срабатывания первого плеча ведомого моста (VT5,6) подмешивается сигнал компенсирования замагничивания магнитопровода (ТМС), который ограничен пределах [-БТП+1; БТП-1]. Если ТМС >0 - в трансформаторе положительное замагничивание, а если ТМС <0 - в трансформаторе отрицательное замагничивание. Этот сигнал коррекции может добавляться либо в начале, либо в конце, либо в середине периода преобразования. Рассмотрим работу системы управления при подмешивании компенсирующего сигнала ТМС в середине периода преобразования.

При поступлении с ПИД-регулятора 14 сигнала ТМС фазоимпульсный модулятор 12 с учетом этого сигнала компенсирования замагничивания магнитопровода формирует следующие пороги срабатывания:

;

;

;

;

;

;

;

.

В процессе работы фазоимпульсных модуляторов пилообразные сигналы СЧ, сформированные согласно блоку синхронизации модуляторов, сравниваются с заданными порогами срабатывания, формируя с помощью логической схемы, запрограммированной соответствующим образом, следующие сигналы управления ключами:

Временные диаграммы работы устройства управления при положительном замагничивании показаны на фиг. 5, при отрицательном замагничивании - на фиг. 6. Сигналы PWM1 и PWM2, показанные на фиг. 5, 6 - импульсы для управления VT1 и VT2 ведущего моста соответственно, PWM1 TMC и PWM2 TMC - импульсы для управления VT5 и VT6 ведомого моста соответственно; PWM3 - импульсы управления ключей VT3 ведущего и VT7 ведомого мостов; PWM4 - импульсы управления ключей VT4 ведущего и VT8 ведомого мостов.

Необходимо отметить, что законы управления для ключей первого плеча ведущего и ведомого моста не только отличаются длительностью включенного/выключенного состояния ключей, но и сдвинуты относительно друг друга с помощью блока синхронизации, за счет сдвига пил ведущего и ведомого моста сигналами SYNC1 и SYNC2 (как показано на фиг. 4). Законы управления для ключей второго плеча ведущего и ведомого моста совпадают, но также сдвинуты относительно друг друга с помощью блока синхронизации.

Для наглядности, формирование сигналов управления ведущего и ведомого моста показано на фиг. 5, 6 для одного пилообразного напряжения, хотя в действительности они будут сдвинуты относительно друг друга.

На временных диаграммах (фиг. 5) показано пилообразное напряжение, и пороги срабатывания, при этом видно, что в момент пересечения, пилообразного напряжения при счете вверх и сигнала бестоковой паузы (порог срабатывания TH1 ведущего моста) формируется импульс включения PWM1 транзистора VT1. В момент пересечения пилообразного напряжения и сигнала БТП+ТМС (порог срабатывания TH1 ведомого моста) формируется импульс включения PWM1 ТМС транзистора VT5. В момент пересечения пилоообразного напряжения и сигнала ПС-БТП (порог срабатывания TH2 ведущего моста) формируется импульс выключения PWM1 транзистора VT1. В момент пересечения пилообразного напряжения и сигнала ПС-БТП-ТМС (порог срабатывания TH2 ведомого моста) формируется импульс выключения PWM1 ТМС транзистора VT5. На фиг. 5 можно видеть, что при положительном замагничивании благодаря введению в закон управления сигнала компенсирования замагничивания (TMC) происходит уменьшение времени включенного состоянию ключа VT5, подобным же образом происходит увеличение времени включенного состояния ключа VT6 на ту же величину, что было уменьшено время VT5 (сигнал управления PWM2 TMC).

Таким образом, за счет средств системы управления, была искусственно нарушена симметрия управляющих сигналов первого плеча ведомого моста (VT5 - VT6). Это влечет за собой приложение к трансформатору постоянного напряжения на время, необходимое для снижения тока намагничивания трансформатора до нуля, тем самым предотвращая насыщение трансформатора.

Изобретение может быть использовано в источниках бесперебойного питания, а также в схемах заряда и разряда аккумуляторных батарей. Задачей изобретения является предотвращение насыщения трансформатора двунаправленного изолированного преобразователя, а также снижение массогабаритных параметров схемы за счет исключения блокирующего конденсатора, введение бестоковой паузы между переключениями транзисторов ведущего и ведомого мостов, а также организация системы компенсации замагничивания таким образом, чтобы предотвратить потерю передаваемой мощности. Способ управления двунаправленным изолированным преобразователем, содержащий ведущий мостовой преобразователь, образованный первым и вторым плечами, ведомый мостовой преобразователь, образованный первым и вторым плечами, трансформатор с первичной обмоткой, соединенной с ведущим мостовым преобразователем, и вторичной обмоткой, соединенной с ведомым преобразователем, дроссель, датчик тока, модуляторы, управляющие ведущим и ведомым мостами, а также систему управления, заключающемся в измерении токов вторичной обмотки трансформатора, усреднении измеряемых токов за период, вычитании усредненных значений токов, и управлении на основе этой разности длительностями включенного и выключенного состояний ключей ведомого преобразователя, дополнительно в качестве модуляторов используют фазоимпульсные модуляторы и измеряют ток первичной обмотки трансформатора, операцию вычитания производят для токов первичной и вторичной обмоток, на основе этой разности с помощью ПИД регулятора формируют сигнал компенсации, изменяющий пороги срабатывания фазоимпульсного модулятора, управляющего ключами ведомого мостового преобразователя, причем, если эта разность больше нуля, посредством этого сигнала уменьшают длительность включенного состояния верхнего из ключей первого плеча ведомого преобразователя, а длительность включенного состояния другого ключа этого плеча ведомого преобразователя увеличивают на эту же величину, если эта разность меньше нуля, увеличивают длительность включенного состояния верхнего из ключей первого плеча ведомого преобразователя, а длительность включенного состояния другого ключа этого плеча уменьшают на эту же величину. 6 ил.

Способ управления двунаправленным изолированным преобразователем, содержащим ведущий мостовой преобразователь, образованный первым и вторым плечами, ведомый мостовой преобразователь, образованный первым и вторым плечами, трансформатор с первичной обмоткой, соединенной с ведущим мостовым преобразователем, и вторичной обмоткой, соединенной с ведомым преобразователем, дроссель, датчик тока, модуляторы, управляющие ведущим и ведомым мостами, а также систему управления, заключающийся в измерении токов вторичной обмотки трансформатора, усреднении измеряемых токов за период, вычитании усредненных значений токов, и управлении на основе полученной разности усредненных значений токов длительностями включенного и выключенного состояний ключей ведомого преобразователя, отличающийся тем, что в качестве модуляторов используют фазоимпульсные модуляторы, дополнительно измеряют ток первичной обмотки трансформатора, операцию вычитания производят для токов первичной и вторичной обмоток, на основе полученной разности разности с помощью ПИД регулятора формируют сигнал компенсации, изменяющий пороги срабатывания фазоимпульсного модулятора, управляющего ключами ведомого мостового преобразователя, причем, если упомянутая разность больше нуля, посредством упомянутого сигнала компенсации уменьшают длительность включенного состояния верхнего из ключей первого плеча ведомого преобразователя, а длительность включенного состояния другого ключа первого плеча ведомого преобразователя увеличивают на эту же величину, если упомянутая разность меньше нуля, увеличивают длительность включенного состояния верхнего из ключей первого плеча ведомого преобразователя, а длительность включенного состояния другого ключа первого плеча уменьшают на эту же величину.