一种电动汽车快充电源变换器的控制方法

本发明涉及变换器的控制技术领域，尤其是一种电动汽车快充电源变换器的控制方法。

背景技术：

随着电力电子行业的快速发展，使得pfc变换器广泛地被应用，如电动汽车充电机，可再生能源和智能电网等。此种pfc变换器可以实现网侧功率因数的提升。因此，此种pfc变换器在近年来得到了广泛的研究。然而，此种pfc变换器传统的控制方法会使得变换器中电感电流纹波较大，进而造成电感损耗大，电磁干扰大，网侧电流畸变程度大。针对于这个问题，2018国际期刊ieeetransactiononindustrialelectronics发表的论文optimalspacevectormodulationofcurrentsourceconverterfordc-linkcurrentripplereduction中提出了一种降低电流源型整流器中电感电流纹波的新型调制方法，这种新型调制方法通过在每个扇区内使用三个有源矢量代替了零矢量的使用，有效地降低了电感上的损耗，减小了电磁干扰以及交流侧的畸变程度。华中科技大学蒋栋教授在国际期刊ieeetransactiononindustrialelectronics发表的论文variableswitchingfrequencypwmforthree-phaseconvertersbasedoncurrentrippleprediction中提出了一种基于纹波预测的降低纹波方法，其通过改变开关频率的方式抑制电感电流纹波，取得了良好的效果，但是开关频率变化导致控制算法复杂，开关损耗增加，输出滤波器设计困难等问题。而本文在不避免使用零矢量、不改变开关频率的前提下，进行了控制方法的改进创新，同样会实现变换器中电感电流的纹波的降低。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种电动汽车快充电源变换器的控制方法，在不避免使用零矢量、不增加开关频率的前提下，将前后级开关器件的开通与关断耦合起来实现联合控制，减小直流电感上的纹波，进而减小电感损耗，减小开关损耗，降低电磁干扰，减小电网侧的电流畸变程度，实现变换器中电感电流的纹波的降低。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种电动汽车快充电源变换器的控制方法，包括设置有前级整流电路和后级升压电路的三相pfc变换器；所述前级整流电路中的开关器件与所述后级升压电路中的开关器件耦合，前级整流电路中的开关器件基于比例积分调节器一和比例谐振调节器控制，根据空间矢量调制算法进行动作；后级升压电路中的开关器件动作取决于所述比例积分调节器一与所述比例谐振调节器和控制后级升压电路的比例积分调节器二的共同作用，对前级整流电路中的开关器件和后级升压电路中的开关器件进行联合控制，进而降低电动汽车快充电源变换器中直流电感电流纹波。

本发明技术方案的进一步改进在于：

所述前级整流电路包括第一交流电源va、第二交流电源vb、第三交流电源vc、第一交流输入滤波电容c1、第二交流输入滤波电容c2、第三交流输入滤波电容c3、第一交流输入滤波电感l1、第二交流输入滤波电感l2、第三交流输入滤波电感l3、第一开关器件s1、第二开关器件s2、第三开关器件s3、第四开关器件s4、第五开关器件s5、第六开关器件s6、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、第六二极管d6；

所述后级升压电路包括第七开关器件s7、第七二极管d7、直流电感lp、输出稳压电容c4和电阻负载rl；

所述第一交流电源va的尾端同时与所述第二交流电源vb的尾端、所述第三交流电源vc的尾端相连接，连接点为n′；所述第一交流电源va首端与所述第一交流输入滤波电感l1尾端相连接；所述第二交流电源vb与所述第二交流输入滤波电感l2尾端相连接；所述第三交流电源vc首端与所述第三交流输入滤波电感l3尾端相连接；

所述第一交流输入滤波电感l1首端同时与所述第一交流输入滤波电容c1首端、所述第一开关器件s1集电极、所述第四开关器件s4发射极相连接；所述第二交流输入滤波电感l2首端同时与所述第二交流输入滤波电容c2首端、所述第三开关器件s3集电极、所述第六开关器件s6发射极相连接；所述第三交流输入滤波电感l3首端同时与所述第三交流输入滤波电容c3的首端、所述第五开关器件s5集电极、所述第二开关器件s2发射极相连接；所述第一交流输入滤波电容c1尾端同时与所述第二交流输入滤波电容c2尾端、所述第三交流输入滤波电容c3尾端相连接，连接点为n；

所述第一开关器件发射极s1与所述第一二极管d1导通端相连接；所述第四开关器件s4集电极与所述第四二极管d4截止端相连接；所述第三开关器件s3发射极与所述第三二极管d3导通端相连接；所述第六开关器件s6集电极与所述第六二极管d6截止端相连接；所述第五开关器件s5发射极与所述第五二极管d5导通端相连接；所述第二开关器件s2集电极与所述第二二极管d2截止端相连接；

所述第一二极管d1截止端同时与所述第三二极管d2截止端、所述第五二极管d5截止端、所述直流电感lp尾端相连接；

所述第四二极管d4导通端同时与所述第六二极管d6导通端、所述第二二极管d2导通端、所述第七开关器件s7发射极、所述输出稳压电容c4尾端、所述电阻负载rl尾端相连接；

所述直流电感lp首端同时与所述第七开关器件s7集电极、所述第七二极管d7导通端相连接；所述第七二极管d7截止端同时与所述输出稳压电容c4首端，所述电阻负载rl首端相连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述联合控制具体是指：

前级整流电路的第一开关器件s1、第二开关器件s2、第三开关器件s3、第四开关器件s4、第五开关器件s5、第六开关器件s6基于比例积分调节器一和比例谐振调节器控制，根据空间矢量调制算法进行动作；后级升压电路的第七开关器件s7动作取决于所述比例积分调节器一与比例谐振调节器和控制后级升压电路的比例积分调节器二的共同作用；

前级整流电路将桥臂输出电压udc作为反馈量，桥臂输出电压反馈量进入比例积分调节器一，与锁相环pll得出的电网电压角度θ进行系列运算后得出参考电流，最终通过比例谐振调节器运算得出调制度m，依据调制度m大小，空间矢量调制算法发出相应时长的脉冲给前级整流电路的第一开关器件s1、第二开关器件s2、第三开关器件s3、第四开关器件s4、第五开关器件s5和第六开关器件s6，使得桥臂输出电压udc平均值为设定参考值；同时，若前级整流电路处于零矢量状态，比例积分调节器一与比例谐振调节器对后级升压电路中的第七开关器件s7发出动作信号一，若前级整流电路处于有源矢量状态，比例积分调节器一与比例谐振调节器不对开关器件s7发出动作信号；

后级升压电路将电阻负载电压u0作为反馈量，进入比例积分调节器二，通过与载波比较后，对后级升压电路中的第七开关器件s7发出动作信号二，所述动作信号一和所述动作信号二两个动作信号进入逻辑运算环节，进行“或”逻辑运算后，最终对后级升压电路的第七开关器件s7发出脉冲信号；

当前级整流电路处于三种零矢量状态时，通过所述比例积分调节器一与比例谐振调节器和所述比例积分调节器二发出信号进入逻辑运算环节，最终发出导通信号给后级升压电路中的第七开关器件s7，使得后级升压电路中的第七开关器件s7一直处于导通状态，使得后级升压电路中的直流电感lp两端的电压为零，即直流电感lp上的电流纹波为零；

当前级整流电路处于六种有源矢量状态时，所述比例积分调节器一与比例谐振调节器不对开关器件s7发出信号，所述比例积分调节器二发出动作信号给后级升压电路的第七开关器件s7进行导通、关断以满足输出电压大小要求。

本发明技术方案的进一步改进在于：元器件的一端为首端，另一端为尾端。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一开关器件s1、所述第二开关器件s2、所述第三开关器件s3、所述第四开关器件s4、所述第五开关器件s5、所述第六开关器件s6、所述第七开关器件s7均为开关管。

本发明技术方案的进一步改进在于：

所述第一交流输入滤波电容c1、所述第二交流输入滤波电容c2、所述第三交流输入滤波电容c3均为薄膜电容；

所述输出稳压电容c4为电解电容；

所述第一交流输入滤波电感l1、所述第二交流输入滤波电感l2、所述第三交流输入滤波电感l3均为滤波电感；

所述电感lp为直流电感；

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、第五二极管d5、第六二极管d6、第七二极管d7均为功率二极管。

本发明技术方案的进一步改进在于：输出电压udc反馈由电压霍尔获得。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述比例积分调节器一为pi调节器一；所述比例谐振调节器为pr调节器；所述比例积分调节器二为pi调节器二。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明通过改进传统的前后级开关器件不耦合的控制方法，将前后级开关器件耦合，对前后级开关进行联合控制，能够有效的降低电动汽车快充电源变换器中直流电感的电流纹波，降低开关次数，降低电磁干扰，减小电感损耗，降低电网侧电流畸变程度，且无需增大直流电感值和开关频率，有效地提高了变换器的工作效率。

2、本发明采用电动汽车快充电源变换器的前级通过空间矢量调制的方式产生驱动信号并发送给前级开关器件；电动汽车快充电源变换器的后级开关器件的导通与关断和电动汽车快充电源变换器前级开关的导通与关断是耦合的，实现了在不增大直流电感且不增加开关频率的条件下降低电感电流纹波。

3、本发明使得后级升压电路实现了变频、变占空比控制，减少了后级电路开关管的开关次数，通过使前后级电路的开关管耦合的控制方法降低了直流电感上的纹波。

4、本发明实现过程简单，具有实际的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明中电动汽车快充电源变换器电路及控制方法示意图；

图2是本发明中电动汽车快充电源变换器电路图；

图3是本发明中所述传统控制方法下开关管的脉冲信号及直流电感电流纹波图；

图4是本发明中所述新型控制方法下开关管的脉冲信号及直流电感电流纹波图；

图5是本发明控制流程图。

具体实施方式

本发明是针对降低电动汽车快充电源变换器中电感电流纹波的一种控制方法，可以不增大开关频率和电感值而使得电感电流纹波降、电磁干扰减弱，网侧电流畸变程度降低。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1、2所示，一种电动汽车快充电源变换器的控制方法，包括设置有前级整流电路和后级升压电路的三相pfc变换器，其特征在于：所述前级整流电路中的开关器件(s1、s2、s3、s4、s5、s6)与所述后级升压电路中的开关器件耦合，前级整流电路中的开关器件(s1、s2、s3、s4、s5、s6)基于pi调节器一和pr调节器控制，根据电流型空间矢量调制算法(c-svm)进行动作；后级升压电路中的开关器件(s7)动作取决于前级整流电路的pi调节器一、pr调节器和后级升压电路的pi调节器二的共同作用，对前级整流电路中的开关器件和后级升压电路中的开关器件进行联合控制，进而降低电动汽车快充电源变换器中直流电感电流纹波。

如图2所示，所述前级整流电路包括第一交流电源va、第二交流电源vb、第三交流电源vc、第一交流输入滤波电容c1、第二交流输入滤波电容c2、第三交流输入滤波电容c3、第一交流输入滤波电感l1、第二交流输入滤波电感l2、第三交流输入滤波电感l3、第一开关器件s1、第二开关器件s2、第三开关器件s3、第四开关器件s4、第五开关器件s5、第六开关器件s6、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、第六二极管d6；

所述后级升压电路包括第七开关器件s7、第七二极管d7、直流电感lp、输出稳压电容c4和电阻负载rl；

所述第一开关器件s1、所述第二开关器件s2、所述第三开关器件s3、所述第四开关器件s4、所述第五开关器件s5、所述第六开关器件s6、所述第七开关器件s7均为开关管；

所述第一交流输入滤波电容c1、所述第二交流输入滤波电容c2、所述第三交流输入滤波电容c3均为薄膜电容；

所述输出稳压电容c4为电解电容；

所述第一交流输入滤波电感l1、所述第二交流输入滤波电感l2、所述第三交流输入滤波电感l3均为滤波电感，所述电感lp为直流电感；

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、第五二极管d5、第六二极管d6、第七二极管d7均为功率二极管。

以下为了表述方便，将所有元器件的一端设定为首端，另一端设定为尾端。

所述第一交流电源va的尾端同时与所述第二交流电源vb的尾端、所述第三交流电源vc的尾端相连接，连接点为n′；所述第一交流电源va首端与所述第一交流输入滤波电感l1尾端相连接；所述第二交流电源vb与所述第二交流输入滤波电感l2尾端相连接；所述第三交流电源vc首端与所述第三交流输入滤波电感l3尾端相连接；

所述第一交流输入滤波电感l1首端同时与所述第一交流输入滤波电容c1首端、所述第一开关器件s1集电极、所述第四开关器件s4发射极相连接；所述第二交流输入滤波电感l2首端同时与所述第二交流输入滤波电容c2首端、所述第三开关器件s3集电极、所述第六开关器件s6发射极相连接；所述第三交流输入滤波电感l3首端同时与所述第三交流输入滤波电容c3的首端、所述第五开关器件s5集电极、所述第二开关器件s2发射极相连接；所述第一交流输入滤波电容c1尾端同时与所述第二交流输入滤波电容c2尾端、所述第三交流输入滤波电容c3尾端相连接，连接点为n；

所述第一开关器件发射极s1与所述第一二极管d1导通端相连接；所述第四开关器件s4集电极与所述第四二极管d4截止端相连接；所述第三开关器件s3发射极与所述第三二极管d3导通端相连接；所述第六开关器件s6集电极与所述第六二极管d6截止端相连接；所述第五开关器件s5发射极与所述第五二极管d5导通端相连接；所述第二开关器件s2集电极与所述第二二极管d2截止端相连接；

所述第一二极管d1截止端同时与所述第三二极管d2截止端、所述第五二极管d5截止端、所述直流电感lp尾端相连接；

所述第四二极管d4导通端同时与所述第六二极管d6导通端、所述第二二极管d2导通端、所述第七开关器件s7发射极、所述输出稳压电容c4尾端、所述电阻负载rl尾端相连接；

所述直流电感lp首端同时与所述第七开关器件s7集电极、所述第七二极管d7导通端相连接；所述第七二极管d7截止端同时与所述输出稳压电容c4首端，所述电阻负载rl首端相连接。

所述联合控制具体是指：

前级整流电路的第一开关器件s1、第二开关器件s2、第三开关器件s3、第四开关器件s4、第五开关器件s5、第六开关器件s6基于pi调节器一和pr调节器控制，根据空间矢量调制算法进行动作；后级升压电路的第七开关器件s7动作取决于所述pi调节器一、所述pr调节器和控制后级升压电路的pi调节器二的共同作用；

前级整流电路将桥臂输出电压udc作为反馈量(输出电压udc反馈由电压霍尔获得)，桥臂输出电压反馈量进入pi调节器一，与锁相环pll得出的电网电压角度θ进行系列运算后得出参考电流，最终通过pr调节器运算得出调制度m，依据调制度m大小，空间矢量调制算法发出相应时长的脉冲给前级整流电路的第一开关器件s1、第二开关器件s2、第三开关器件s3、第四开关器件s4、第五开关器件s5和第六开关器件s6，使得桥臂输出电压udc平均值为设定参考值，若前级整流电路处于零矢量状态，pi调节器一、pr调节器同时也对后级升压电路中的第七开关器件s7发出动作信号一，若前级整流电路处于有源矢量状态，pi调节器一、pr调节器不对后级升压电路中的第七开关器件s7发出动作信号；

后级升压电路将电阻负载电压u0作为反馈量，进入pi调节器二，通过与载波比较后，对后级升压电路中的第七开关器件s7发出动作信号二，所述动作信号一和所述动作信号二两个动作信号进入逻辑运算环节，进行“或”逻辑运算后，最终对后级升压电路的第七开关器件s7发出脉冲信号；

当前级整流电路处于三种零矢量状态时，通过所述pi调节器一、所述pr调节器和所述pi调节器二发出信号进入逻辑运算环节，最终发出导通信号给后级升压电路中的第七开关器件s7，使得后级升压电路中的第七开关器件s7一直处于导通状态，使得后级升压电路中的直流电感lp两端的电压为零，即直流电感lp上的电流纹波为零；

当前级整流电路处于六种有源矢量状态时，通过所述pi调节器一、所述pr调节器和所述pi调节器二发出信号进入逻辑运算环节，最终发出动作信号给后级升压电路的第七开关器件s7进行导通、关断以满足输出电压大小要求。

具体的：如图1所示，本控制方法所针对的电动汽车快充电源变换器拓扑；前级整流电路中开关器件s1、s2、s3、s4、s5、s6基于比例积分控制器一和空间矢量调制算法进行动作，使得桥臂输出电压udc的平均值为设定的参考电压值；前级整流电路处于三种零矢量状态时，即前级整流电路处于三种直通状态：s1和s4，s3和s6，s5和s2分别导通时，前级整流电路的比例积分调节器一与比例谐振调节器和后级升压电路的比例积分控制器二发出信号并进入逻辑运算环节，最终向第七开关器件s7发出信号，使得s7一直处于导通状态，使得直流电感lp两端的电压ulp为零，即直流电感lp上的电流纹波idc为零；当前级整流电路处于六种有源矢量状态时，即前级整流电路处于非直通状态：s1和s2，s1和s6，s3和s4，s3和s2，s5和s4，s5和s6分别导通时，比例积分调节器一与比例谐振调节器不给s7发出信号，比例积分控制器二给s7发送动作信号，使得s7自行动作以满足输出电压要求。

如图4所示，为本发明的控制方法下开关管的脉冲信号及直流电感电流纹波图；明显与如图3所示的传统控制方法下开关管的脉冲信号及直流电感电流纹波图不同，

本发明控制方法下电路的工作模态详见表1。

表1

综上所述，本发明中的电动汽车快充电源变换器的前级整流电路通过空间矢量调制的方式产生驱动信号并发送给前级整流电路中的开关器件；电动汽车快充电源变换器的后级升压电路中的开关器件的导通与关断和电动汽车快充电源变换器前级整流电路各的开关器件的导通与关断是耦合的，在不避免使用零矢量、不增加开关频率的前提下，将前后级开关器件的开通与关断耦合起来实现联合控制，减小直流电感上的纹波，进而减小电感损耗，减小开关损耗，降低电磁干扰，减小电网侧的电流畸变程度，实现变换器中电感电流的纹波的降低。