H桥四开关电路的控制方法及双向充放电装置与流程

h桥四开关电路的控制方法及双向充放电装置
技术领域
1.本技术属于电力电子技术领域，尤其涉及一种h桥四开关电路的控制方法及双向充放电装置。


背景技术：

2.随着技术的发展，升压-降压变换器广泛应用于双向充放电装置中，其中，h桥四开关电路是一种拓扑简单、性能优越、适合大功率双向应用的升压-降压变换器。该h桥四开关电路根据输入端口和输出端口的电压大小关系可分为：降压状态、临界状态和升压状态，根据三种电压状态关系可分为升压、降压两种模式，将临界状态也归入其中一种模式中。
3.h桥四开关电路实施的关键点在于内部降压桥臂和升压桥臂之间的平滑切换，但是，传统降压桥臂和升压桥臂之间的切换方式一般是通过双载波单调制，调制过程复杂，不易于实现数字化，适用范围狭窄。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种h桥四开关电路的控制方法及双向充放电装置，旨在解决传统h桥四开关电路的降压桥臂和升压桥臂的平滑切换方式导致不易于实现数字化的问题。
5.为了实现上述目的，第一方面，本技术实施例提供了一种h桥四开关电路的控制方法，所述h桥四开关电路包括降压桥臂、升压桥臂和电感，所述控制方法包括：
6.获取调制电压vc和单载波的峰峰值vm；
7.根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm向所述降压桥臂发送第一pwm驱动信号，并向所述升压桥臂发送第二pwm驱动信号；所述第一pwm驱动信号的占空比和所述第二pwm驱动信号的占空比是根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm之间的大小关系确定的，所述第一pwm驱动信号的调制电压为vc，所述第二pwm驱动信号的调制电压为vc-vm。
8.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述第一pwm驱动信号和所述第二pwm驱动信号的占空比是根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm之间的大小关系确定的，包括：
9.当所述调制电压vc小于所述峰峰值vm时，所述第一pwm驱动信号的占空比为0～1，所述第二pwm驱动信号的占空比为0；
10.当所述调制电压vc不小于所述峰峰值vm时，所述第一pwm驱动信号的占空比为1，所述第二pwm驱动信号的占空比为0～1。
11.在第一方面的另一种可能的实施方式中，所述获取调制电压vc，包括：
12.获取所述h桥四开关电路的输出电压vo和电感电流il；
13.根据预设的电压环输入值v*、输出电压vo和电感电流il确定调制电压vc。
14.在第一方面的另一种可能的实施方式中，所述根据预设的电压环输入值v*、输出电压vo和电感电流il确定调制电压vc，包括：
15.通过电压环根据所述预设的电压环输入值v*和所述输出电压vo确定所述电压环
的调节输出量il*；
16.通过电流环根据所述电压环的调节输出量il*和所述电感电流il确定所述调制电压vc，为所述电流环的调节输出量。
17.在第一方面的另一种可能的实施方式中，所述控制方法，还包括：
18.当启动所述h桥四开关电路时，根据所述h桥四开关电路的输出电压vo和输入电压vi的大小关系确定初始调制电压vc0；
19.根据初始调制电压vc0和峰峰值vm向所述降压桥臂发送第一pwm初始驱动信号，并向所述升压桥臂发送第二pwm初始驱动信号，所述第一pwm初始驱动信号的调制电压为vc0，占空比为预设的第一占空比，所述第二pwm初始驱动信号的调制电压为vc0-vm，占空比为预设的第二占空比。
20.在第一方面的另一种可能的实施方式中，所述控制方法，包括：
21.当所述输入电压vi大于所述输出电压vo时，确定所述第一占空比d0＝vo/vi；
22.或者，当所述输入电压vi不大于所述输出电压vo时，确定所述第二占空比d0＝1-vi/vo。
23.在第一方面的另一种可能的实施方式中，所述根据所述h桥四开关电路的输出电压vo和输入电压vi的大小关系确定初始调制电压vc0，包括：
24.当所述输入电压vi大于所述输出电压vo时，确定所述初始调制电压vc0＝vm*(vo/vi)；
25.或者，当所述输入电压vi不大于所述输出电压vo时，确定所述初始调制电压vc0＝vm*(2-vi/vo)。
26.在第一方面的另一种可能的实施方式中，当启动所述降压桥臂，且输出电压vo与输入电压vi的比值小于第一预设值时，所述第一pwm初始驱动信号的占空比为第二预设值，所述第二预设值小于所述第一预设值；
27.当所述降压桥臂启动完成后，将所述第一pwm初始驱动信号的占空比调整为所述第一预设值。
28.在第一方面的另一种可能的实施方式中，当启动所述降压桥臂，且输出电压vo与输入电压vi的比值大于第一预设值时，所述第一pwm初始驱动信号的占空比设为所述第一预设值。
29.第二方面，本技术实施例提供了一种双向充放电装置，用于执行所述的h桥四开关电路的控制方法。
30.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：上述的h桥四开关电路的控制方法，根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm向降压桥臂发送第一pwm驱动信号、向升压桥臂发送第二pwm驱动信号，根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm之间的大小关系确定第一pwm驱动信号和第二pwm驱动信号的占空比，第一pwm驱动信号的调制电压为vc，第二pwm驱动信号的调制电压为vc-vm，从而通过单载波双调制的方式实现降压桥臂和升压桥臂之间的平滑切换，易于实现数字化，适用范围广泛。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述
中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为传统的h桥四开关电路的电路示意图；
33.图2为本技术实施例提供的h桥四开关电路的控制方法的流程图；
34.图3为本技术实施例提供的h桥四开关电路的控制方法的控制电路图；
35.图4为本技术实施例提供的h桥四开关电路的控制方法的单载波双调制示意图；
36.图5为本技术实施例提供的h桥四开关电路的控制方法的初始化预设的电压环输入值曲线图；
37.图6为本技术实施例提供的h桥四开关电路的控制方法的初始化调制电压vc曲线图。
具体实施方式
38.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
39.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
40.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
41.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
42.目前，h桥四开关电路的调制方式一般为双载波单调制，即通过双载波单调制实现h桥四开关电路内部降压桥臂和升压桥臂之间的平滑切换，但是双载波单调制一般需要两个载波，不仅浪费资源，而且调制过程复杂，不易于实现数字化。
43.为此，本技术提供一种h桥四开关电路的控制方法，采用单载波双调制的方式，获取调制电压vc和单载波的峰峰值vm，根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm向降压桥臂发送第一pwm驱动信号、向升压桥臂发送第二pwm驱动信号，从而实现降压桥臂和升压桥臂之间的平滑切换，调制过程简单，易于实现数字化。
44.下面结合附图，对本技术提供的h桥四开关电路的控制方法，进行实例性的说明：
45.图1为传统的h桥四开关电路的电路示意图，如图1所示，为了便于说明，仅示出与本实施例相关的部分，详述如下：h桥四开关电路可以包括降压桥臂、升压桥臂和电感，降压桥臂包括第一mos管和第二mos管，升压桥臂包括第三mos管和第四mos管，电感的一端连接第一mos管的源极和第二mos管的漏极，电感的另一端连接第三mos管的源极和第四mos管的
漏极，第一mos管的漏极和第二mos管的源极分别连接在输入端电压两端，第三mos管的漏极和第四mos管的源极分别连接在输出端电压两端。
46.图2为本技术实施例提供的h桥四开关电路的控制方法的流程图，如图2所示，控制方法可以包括：
47.s1、获取调制电压vc和单载波的峰峰值vm。
48.s2、根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm向降压桥臂发送第一pwm驱动信号，并向升压桥臂发送第二pwm驱动信号；第一pwm驱动信号和第二pwm驱动信号的占空比是根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm之间的大小关系确定的，第一pwm驱动信号的调制电压为vc，第二pwm驱动信号的调制电压为vc-vm。其中，pwm为脉宽调制波形。
49.本实施例中，h桥四开关电路的两个电压端口均可以作为输入端口或输出端口，使电量从任一侧端口流向另一侧端口。例如，以输出端口的电压为稳态基准电压，根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm向降压桥臂发送第一pwm驱动信号，并向升压桥臂发送第二pwm驱动信号；其中，第一pwm驱动信号的占空比和第二pwm驱动信号的占空比是根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm之间的大小关系确定的，通过不断比较调制电压vc和单载波的峰峰值vm，从而确定向降压桥臂发送第一pwm驱动信号和向升压桥臂发送第二pwm驱动信号的占空比，以使输出端口的输出电压不断升高或降低，直至达到预设的稳态基准电压。
50.示例性的，第一pwm驱动信号和第二pwm驱动信号的占空比是根据调制电压vc和单载波的峰峰值vm之间的大小关系确定的，包括：当调制电压vc小于峰峰值vm时，第一pwm驱动信号的占空比为0～1，第二pwm驱动信号的占空比为0；当调制电压vc不小于峰峰值vm时，第一pwm驱动信号的占空比为1，第二pwm驱动信号的占空比为0～1。
51.本实施例中，以单边沿的三角载波为例，其最大值为vh，最小值为v
l
(设置为0)，分别对应于三角载波的波峰和波谷，其峰峰值(即波峰值与波谷值的差值)为vm。降压桥臂和升压桥臂的调制电压vc相差单载波的峰峰值电压vm，即降压桥臂的调制电压vc为v
buck_c
＝vc，升压桥臂的调制电压vc为v
boost_c
＝vc-vm，从而使降压桥臂和升压桥臂互斥工作，保证同一时刻只有一个桥臂处于pwm斩波状态，另一个桥臂处于直通状态，降压桥臂和升压桥臂自由切换。降压桥臂包括互补导通的第一mos管q1和第二mos管q2，占空比之和为1，升压桥臂包括互补导通的第三mos管q3和第四mos管q4，占空比之和为1。
52.当调制电压vc小于峰峰值电压vm时，对应降压桥臂的第一pwm驱动信号的占空比为0～1(即第一mos管q1的占空比为0～1，第二mos管q2的占空比与第一mos管q1的占空比互补，之和为1，第四mos管q4的占空比为0)，对应升压桥臂的第二pwm驱动信号的占空比为0(即第三mos管q3为1，第四mos管q4为0)，输出降压桥臂脉冲宽度调制信号pwma发送至第一mos管q1，经过反相器反向后发送至第二mos管q2，即通过降压桥臂实现对输出端电压的调控，同时，第一mos管q1和第二mos管q2之间可以增加必要的死区电路，防止第一mos管q1和第二mos管q2同时导通。
53.当调制电压vc不小于峰峰值电压vm时，例如vm～2vm，对应降压桥臂的第一pwm驱动信号的占空比为1(即第一mos管q1的占空比为1，q2为0)，对应升压桥臂的第二pwm驱动信号的占空比为0～1(即第三mos管q3的占空比为0～1，第四mos管q4的占空比为0～1，第三mos管q3的占空比与第四mos管q4的占空比互补，之和为1)，输出升压桥臂脉冲宽度调制信号pwmb，输出升压桥臂脉冲宽度调制信号pwmb发送至第四mos管q4，经过反相器反向后发送
至第三mos管q3，即通过升压桥臂实现对输出端电压的调控，同时，第三mos管q3和第四mos管q4之间可以增加必要的死区电路，防止第三mos管q3和第四mos管q4同时导通，从而无缝实现降压桥臂和升压桥臂之间的平滑切换。
54.图3为本技术实施例提供的h桥四开关电路的控制方法的控制电路图，如图3所示，示例性地，获取调制电压vc，包括：
55.获取h桥四开关电路的输出电压vo和电感电流il。
56.根据预设的电压环输入值v*、输出电压vo和电感电流il确定调制电压vc。
57.示例性地，可以包括通过电压环根据预设的电压环输入值v*和输出电压vo确定电压环的调节输出量il*；通过电流环根据电压环的调节输出量il*和电感电流il确定调制电压vc，为电流环的调节输出量。
58.本技术实施例中，控制环路是电压环为外环和电流环为内环的双环结构，通过电压环控制输出端电压，同一时刻只控制一个输出端口的电压，电流环控制电感电流，其中电流内环采用平均电流控制模式。电压环根据预设的电压环输入值v*和输出电压vo确定电压环的调节输出量il*；电流环根据电压环的调节输出量il*和电感电流il确定调制电压vc，通过调制电压vc调制发波，即根据调制电压vc与单载波的峰峰值vm的大小确定第一pwm驱动信号的占空比和第二pwm驱动信号的占空比，第一pwm驱动信号的调制电压为vc，第二pwm驱动信号的调制电压为vc-vm。
59.图4为本技术实施例提供的h桥四开关电路的控制方法的单载波双调制示意图，如图4所示，示例性地，当单载波的峰峰值电压范围为偏离峰峰值电压一定预设值时，可以弥补死区、最小占空比限制等影响，例如当单载波的峰峰值电压范围小于峰峰值电压vm时，可以在输入端口电压和输出端口电压接近时，降压桥臂和升压桥臂处于交叉复合、同时调节的状态，虽然开关损耗较大，但是更利于平滑过渡，所以实际单载波的峰峰值电压范围可以根据电路适应能力进行取舍。
60.图5为本技术实施例提供的h桥四开关电路的控制方法的初始化预设的电压环输入值曲线图，图6为本技术实施例提供的h桥四开关电路的控制方法的初始化调制电压vc曲线图，如图5和图6所示，示例性地，控制方法，还包括：当启动h桥四开关电路时，根据h桥四开关电路的输出电压vo和输入电压vi的大小关系确定初始调制电压vc0。
61.根据初始调制电压vc0和峰峰值vm向降压桥臂发送第一pwm初始驱动信号，并向升压桥臂发送第二pwm初始驱动信号，第一pwm初始驱动信号的调制电压为vc0，占空比为预设的第一占空比，第二pwm初始驱动信号的调制电压为vc0-vm，占空比为预设的第二占空比。
62.本技术实施例中，如图5所示，输出电压为vo，即为输出电压启动瞬间的初始电压值，从输出电压vo出发，预设的电压环输入值v*按照一定的速度线性上升到第一最终电压v1或下降到第二最终电压v2。因为输出电压vo若启动前有残压，输出端预设的电压环输入值v*却要从0v启动，会引起电流反灌、过流或者输入端口电压过冲等问题，因此，调制电压vc也不能从0v启动，需要结合输出电压vo进行初始化。
63.如图6所示，示例性地，控制方法，包括：
64.当输入电压vi大于输出电压vo时，确定第一占空比d0＝vo/vi；
65.或者，当输入电压vi不大于输出电压vo时，确定第二占空比d0＝1-vi/vo。
66.当输入电压vi大于输出电压vo时，确定初始调制电压vc0＝vm*(vo/vi)；
67.或者，当输入电压vi不大于输出电压vo时，确定初始调制电压vc0＝vm*(2-vi/vo)。得到初始调制电压vc0后，将电流环数字pi控制器的数字积分器输出值修改为vc0。
68.示例性地，当启动降压桥臂，且输出电压vo与输入电压vi的比值小于第一预设值时，第一pwm初始驱动信号的占空比为第二预设值，第二预设值小于第一预设值；当降压桥臂启动完成后，将第一pwm初始驱动信号的占空比调整为第一预设值。
69.本技术实施例中，通过调制电压vc调制降压桥臂和升压桥臂的占空比和调制电压之前，还需要对降压桥臂占空比的幅值进行限制，降压桥臂占空比的计算方式为输出端电压/输入端电压，当输出电压vo与输入电压vi的比值的占空比小于第一预设值时，将降压桥臂的第一pwm初始驱动信号的占空比设为第二预设值，并在启动完成后将降压桥臂的第一pwm初始驱动信号的占空比设为第一预设值。例如，当降压桥臂的占空比小于第一预设值0.1时，降压桥臂的占空比可以设为第二预设值为0.03，减去死区时间，对输出端负载冲击较小，并在启动完成后恢复成稳态时的第一预设值0.1，便于稳态时使用。
70.示例性地，当启动降压桥臂，且输出电压vo与输入电压vi的比值大于第一预设值时，第一pwm初始驱动信号的占空比设为第一预设值。
71.本技术实施例中，当输出电压vo与输入电压vi的比值不小于第一预设值时，将降压桥臂的第一pwm初始驱动信号的占空比设为第一预设值。例如，当降压桥臂的占空比不小于第一预设值0.1时，降压桥臂的第一pwm初始驱动信号的占空比可以设为第一预设值0.1，便于稳态时使用。
72.示例性地，降压桥臂可以包括第一mos管和第一二极管，升压桥臂包括第二二极管和第四mos管，电感的一端连接第一mos管的源极和第一二极管的负极，电感的另一端连接第二二极管的正极和第四mos管的漏极，第一mos管的漏极和第一二极管的正极分别连接在输入端电压两端，第二二极管的负极和第四mos管的源极分别连接在输出端电压两端。
73.本技术实施例中，与现有h桥四开关电路的区别为，将第二mos管q2和第三mos管q3替换为两个二极管，或者将第一mos管q1和第四mos管q4替换为两个二极管，成为单向导通的降压-升压变化器，同样可以通过单载波双调制的方式实现降压桥臂和升压桥臂之间的平滑切换，同时无需初始化，因为单向拓扑不存在电流反灌的可能性。
74.示例性地，本实施例还公开了一种双向充放电装置，用于执行h桥四开关电路的控制方法。
75.本技术实施例中，通过双向充放电装置执行本技术的h桥四开关电路的控制方法，在以一侧为基准端时，充电过程即为升压过程，放电过程即为降压过程，根据输出端预设的电压环输入值v*和输出电压vo确定调制电压vc，根据调制电压vc与单载波的峰峰值vm大小确定h桥四开关电路内降压桥臂和升压桥臂的占空比和调制电压，从而实现该装置的双向充放电过程。
76.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
77.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述
的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
78.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
79.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
80.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的双向充放电装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的双向充放电装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
81.作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
82.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
83.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。