一种DC/DC变换器的控制方法、装置、系统及介质与流程

一种dc/dc变换器的控制方法、装置、系统及介质
技术领域
1.本发明涉及电路领域，特别是涉及一种dc/dc变换器的控制方法、装置、系统及介质。


背景技术：

2.随着电力电子技术的迅速发展，dc/dc变换器也广泛应用于多个领域，特别是可以应用于城市轨道交通地面式的储能系统中，通常情况下，dc/dc变换器采用的都是si基功率器件，但是采用si基功率器件的双向dc/dc变换器存在着体积和重量大、噪音高和功率密度低等问题，在体积较为紧张的变电站内，体积会成为限制储能系统容量的重要因素。为了满足dc/dc变换器不断提高的使用需求，通常会选择用sic类型的mosfet来代替dc/dc变换器中原先使用的si igbt作为开关器件，和si器件相比，sic器件具备更低的能量损耗，更优的温度特性以及更高的开关频率等优势，会同时影响变换器设计时的参数以及控制时的效果，能够在一定程度上提高dc/dc变换器的开关频率，以此提高变换器的效率。但是目前在对dc/dc变换器的工作过程进行控制的过程中，仍会采用固定的开关频率对dc/dc变换器的工作过程进行控制，固定的开关频率无法让变换器在任何工况下的控制效果都能满足要求，随着工况的变化，特别是工况极端变化的情况下，变换器会出现效率过低、纹波过大以及响应速度慢等情况，严重影响变换器的正常工作，无法充分实现变换器的控制效果。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种dc/dc变换器的控制方法、装置、系统及介质，在获取dc/dc变换器的当前运行参数之后，基于工况和开关频率之间的映射关系确定目标开关频率，从而确定在当前运行工况下可以兼顾电感电流纹波和总损耗的最优的开关频率，不同的运行参数对应变换器的不同的运行工况，根据变换器的实时运行工况对开关频率进行调整，通过变频控制的方式使变换器始终处于最优的控制效果中，在减小电感电流纹波的同时，提高变换器的工作效率和响应速度，确保了变换器的控制效果。
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种dc/dc变换器的控制方法，包括：
5.基于所述dc/dc变换器的电路确定所述dc/dc变换器的开关频率的初始区间；
6.基于所述dc/dc变换器的电感电流纹波和所述dc/dc变换器的总损耗确定影响目标函数与所述电感电流纹波和所述总损耗之间的对应关系，所述影响目标函数分别与所述电感电流纹波和所述总损耗成正比；
7.利用所述对应关系，所述初始区间和所述影响目标函数建立所述dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系；
8.获取所述dc/dc变换器的当前运行参数，并基于所述当前运行参数确定所述dc/dc变换器的当前工况，所述运行参数包括所述dc/dc变换器的输入电压，输出电压和输出电流；
9.基于所述映射关系确定目标开关频率，并通过所述目标开关频率控制所述dc/dc
变换器运行。
10.优选地，所述利用所述对应关系，所述初始区间和所述影响目标函数建立所述dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系，包括：
11.利用所述对应关系和所述dc/dc变换器的预设工况在所述初始区间中确定使所述影响目标函数最小的对象开关频率；
12.将所述对象开关频率设置为所述预设工况对应的开关频率。
13.优选地，所述基于所述dc/dc变换器的电路确定所述dc/dc变换器的开关频率的初始区间，包括：
14.基于所述dc/dc变换器的斩波电感，电感电流纹波率的预设区间和斩波电感-开关频率的关系式确定所述dc/dc变换器的开关频率的初始区间的第一区间；
15.基于所述dc/dc变换器的效率要求区间和效率-开关频率的关系式确定所述dc/dc变换器的开关频率的初始区间的第二区间；
16.将所述第一区间和所述第二区间的交集作为所述开关频率的初始区间。
17.优选地，所述将所述第一区间和所述第二区间的交集作为所述开关频率的初始区间之后，还包括：
18.基于所述dc/dc变换器的支撑电容和支撑电容-开关频率的关系式确定所述dc/dc变换器的开关频率的第三区间；
19.将所述第一区间，所述第二区间和所述第三区间的交集作为所述开关频率的初始区间。
20.优选地，所述基于所述dc/dc变换器的电感电流纹波和所述dc/dc变换器的总损耗确定影响目标函数与所述电感电流纹波和所述总损耗之间的对应关系，包括：
21.将所述dc/dc变换器的电感电流纹波和所述dc/dc变换器的总损耗进行加权，以确定影响目标函数的适应度函数关系式；
22.所述适应度函数为：
[0023][0024]
其中，为权重占比，f为影响目标函数，δi为所述dc/dc变换器的电感电流纹波，p
all
为所述dc/dc变换器的总损耗。
[0025]
优选地，当所述dc/dc变换器为两电平三相交错并联拓扑的电路结构时，所述dc/dc变换器的电感电流纹波为：
[0026][0027]
其中，δi为所述dc/dc变换器的电感电流纹波，v
in
为所述dc/dc变换器的输入电压，vo为所述dc/dc变换器的输出电压，l为所述dc/dc变换器的电感，d为所述dc/dc变换器的占空比，f为所述dc/dc变换器的开关频率。
[0028]
优选地，所述dc/dc变换器的总损耗包括功率器件的通态损耗，所述功率器件的开
关损耗，所述功率器件的体二极管损耗和所述dc/dc变换器中电感的磁芯损耗；
[0029]
所述功率器件的通态损耗为：
[0030][0031]
所述功率器件的开关损耗为：
[0032][0033]
所述功率器件的体二极管损耗为：
[0034][0035]
所述电感的磁芯损耗为：
[0036][0037]
其中，p
swich
为所述功率器件的开关损耗，p
diode
为所述功率器件的体二极管损耗，f为所述dc/dc变换器的开关频率，i
d*
为所述功率器件对应的特定测试电流，v
ds*
为所述功率器件对应的特定测试电压，e
on
为在特定测试条件下，所述功率器件单次导通的损耗能量，e
off
为在特定测试条件下，所述功率器件单次关断的损耗能量，id为所述功率器件在实际应用工况下的电流，v
ds
为所述功率器件在实际应用工况下的电压，e
rr
为体二极管反向开关损耗，vf为体二极管正向导通压降，if为体二极管平均导通电流，t
on
为所述功率器件的导通时间，t
off
为所述功率器件的关断时间，d为所述dc/dc变换器的占空比，i
ds
为通态时流过所述功率器件的有效电流，r
ds
为所述功率器件的通态电阻，n为所述电感的导线匝数，μ为所述电感的有效磁导率，le为所述电感的平均磁路长度。
[0038]
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种dc/dc变换器的控制装置，包括：
[0039]
存储器，用于存储计算机程序；
[0040]
处理器，用于实现如前述所述的dc/dc变换器的控制方法的步骤。
[0041]
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述所述的dc/dc变换器的控制方法的步骤。
[0042]
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种dc/dc变换器的控制系统，包括：
[0043]
初始区间确定单元，用于基于所述dc/dc变换器的电路确定所述dc/dc变换器的开关频率的初始区间；
[0044]
确定关系单元，用于基于所述dc/dc变换器的电感电流纹波和所述dc/dc变换器的总损耗确定影响目标函数与所述电感电流纹波和所述总损耗之间的对应关系，所述影响目标函数分别与所述电感电流纹波和所述总损耗成正比；
[0045]
确定映射单元，用于利用所述对应关系，所述初始区间和所述影响目标函数建立所述dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系；
[0046]
获取单元，用于获取所述dc/dc变换器的当前运行参数，并基于所述当前运行参数确定所述dc/dc变换器的当前工况，所述运行参数包括所述dc/dc变换器的输入电压，输出电压和输出电流；
[0047]
确定开关频率单元，用于基于所述映射关系确定目标开关频率，并通过所述目标开关频率控制所述dc/dc变换器运行。
[0048]
本发明提供了一种dc/dc变换器的控制方法，在dc/dc变换器的电路确定后，先根据具体的电路确定可选的开关频率的初始区间；然后需要通过确定一个最优的开关频率对dc/dc变换器的电感电流纹波和总损耗进行优化，而影响目标函数分别与电感电流纹波和总损耗成正比，因此可以通过调整影响目标函数达到优化电感电流纹波和总损耗的目的；此时可以通过影响目标函数与电感电流纹波和总损耗之间的对应关系，开关频率的初始区间和影响目标函数建立dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系，通过调整开关频率确定每个工况下效果最好的影响目标函数及其对应的开关频率，得到每个工况对应的最优的开关频率；在获取的dc/dc变换器的当前运行参数之后，基于该映射关系确定目标开关频率，从而确定在当前运行工况下可以兼顾电感电流纹波和总损耗的最优的开关频率，不同的运行参数对应变换器的不同的运行工况，根据变换器的实时运行工况对开关频率进行调整，通过变频控制的方式使变换器始终处于最优的控制效果中，在减小电感电流纹波的同时，提高变换器的工作效率和响应速度，确保了变换器的控制效果。
[0049]
本发明还提供了一种dc/dc变换器的控制装置、系统及计算机可读存储介质，具有与上述dc/dc变换器的控制方法相同的有益效果。
附图说明
[0050]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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发明的一些实施例，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。
[0051]
图1为本发明提供的一种dc/dc变换器的控制方法的流程示意图；
[0052]
图2为本发明提供的一种dc/dc变换器的双环控制框图；
[0053]
图3为本发明提供的一种dc/dc变换器的电路结构示意图；
[0054]
图4为本发明提供的一种dc/dc变换器的控制装置的结构示意图；
[0055]
图5为本发明提供的一种dc/dc变换器的控制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0056]
本发明的核心是提供一种dc/dc变换器的控制方法、装置、系统及介质，在获取dc/dc变换器的当前运行参数之后，基于工况和开关频率之间的映射关系确定目标开关频率，从而确定在当前运行工况下可以兼顾电感电流纹波和总损耗的最优的开关频率，不同的运行参数对应变换器的不同的运行工况，根据变换器的实时运行工况对开关频率进行调整，通过变频控制的方式使变换器始终处于最优的控制效果中，在减小电感电流纹波的同时，提高变换器的工作效率和响应速度，确保了变换器的控制效果。
[0057]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
本发明提供的dc/dc变换器的控制方法适用于多种领域，特别是适用于城市轨道交通地面式储能系统，对于本技术中dc/dc变换器的控制方法的应用领域等本技术在此不做特别的限定；在城市轨道交通地面式储能系统中，由于目前市面上商业化应用的sic mosfet的电压规格通常为1200v和1700v，应用到750v和1500v电压等级的城轨线路中时，dc/dc变换器需要采用两电平或三电平拓扑电路，且根据目前sic mosfet器件的电流规格，dc/dc变换器在应用时大都需要采用多相交错并联的结构，对于dc/dc变换器自身的电路结构等本技术在此不做特别的限定。具体实施方式详见下文。
[0059]
请参照图1，图1为本发明提供的一种dc/dc变换器的控制方法的流程示意图；为解决上述技术问题，本发明提供了一种dc/dc变换器的控制方法，包括：
[0060]
s11：基于dc/dc变换器的电路确定dc/dc变换器的开关频率的初始区间；
[0061]
可以理解的是，在dc/dc变换器的电路结构以及电路中器件的参数确定之后，由于实际应用中对于dc/dc变换器的效率以及纹波率等都具有一定的范围要求，对应地，开关频率会存在一个初始区间，在dc/dc变换器的电路确定后，变换器的开关频率会在对应的初始区间内，若选择的开关频率位于初始区间之外，则dc/dc变换器的工作过程无法满足应用需求。以全sic变换器为例，全sic变换器的开关频率可以从20khz到100khz之间选择。
[0062]
具体地，基于dc/dc变换器的电路确定开关频率的区间存在多种方式，主要取决于实际应用中对于哪些参数有相关要求，通常情况下，会要求变换器在额定工况下的效率高于某个预设值，同时要求电路中电感电流的纹波率低于某个预设值，以确保变换器的效率和准确性，在实际应用中，可以直接根据与电感电流的纹波率之间相关的电感的具体取值等参数对开关频率的初始区间进行确定，也可以利用电容以及占空比等其他参数来进行确定，对于基于dc/dc变换器的电路确定开关频率的区间的具体方式等本技术在此不做特别的限定。
[0063]
s12：基于dc/dc变换器的电感电流纹波和dc/dc变换器的总损耗确定影响目标函数与电感电流纹波和总损耗之间的对应关系，影响目标函数分别与电感电流纹波和总损耗成正比；
[0064]
考虑到需要兼顾对电感电流纹波和总损耗两方面的优化，设定了分别与电感电流纹波和总损耗成正比的影响目标函数作为确定开关频率的依据，不难理解的是，影响目标函数越小，对于电感电流纹波和总损耗的优化效果越好，变换器的控制效果越好。
[0065]
具体地，对影响目标函数的确定过程可以采用遗传算法进行，以变换器的设计参数作为边界条件，也即上述的初始区间，以电感电流纹波和效率作为优化目标，采用遗传算法进行多目标的优化过程，得到各工况下的帕累托前沿，并在后续控制时按照变换器的运行工况选取最优的开关频率，进行变频控制。也可以采用其他的数据处理方法对影响目标函数进行确定，本技术在此不做特别的限定。
[0066]
s13：利用对应关系，初始区间和影响目标函数建立dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系；
[0067]
可以理解的是，在对应关系和初始区间确定之后，可以根据dc/dc变换器的工况以
及影响目标函数来确定每个工况下对应的开关频率，通过工况对应的相关电路参数确定影响目标函数与开关频率之间的对应关系，设定影响目标函数最小时对应的开关频率作为该工况下对应的最优的开关频率；也可以设定影响目标函数低于预设值即满足要求，将满足要求的影响目标函数时对应的开关频率作为该工况下对应的开关频率。
[0068]
具体地，建立dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系可以是直接将dc/dc变换器在工作过程中的所有工况对应的开关频率全部计算得出，将工况与开关频率之间一一对应；也可以选择多个预设工况作为代表，通过最小二乘法或其他统计方式建立工况与开关频率之间的关系式，将该关系式作为工况和开关频率的映射关系，后续直接根据实际应用中的工况代入计算。对于工况和开关频率的映射关系的具体建立方式等本技术在此不做特别的限定。
[0069]
s14：获取dc/dc变换器的当前运行参数，并基于当前运行参数确定dc/dc变换器的当前工况，运行参数包括dc/dc变换器的输入电压，输出电压和输出电流；
[0070]
在实际应用中，需要先确定dc/dc变换器的当前工况，可以通过获取dc/dc变换器的当前的一些运行参数来确定dc/dc变换器的当前工况，通常情况下可以直接根据dc/dc变换器的输入电压，输出电压和输出电流确定变换器的当前工况。获取dc/dc变换器的当前运行参数以及确定当前工况的过程可以存在多种方式，本技术在此不做特别的限定。
[0071]
s15：基于映射关系确定目标开关频率，并通过目标开关频率控制dc/dc变换器运行。
[0072]
具体地，在确定了dc/dc变换器的当前工况后，直接根据映射关系确定与当前工况对应的目标开关频率，然后直接利用目标开关频率控制dc/dc变换器进入正常的运行过程。若映射关系是工况和开关频率的一一对应的情况时，直接将当前工况与映射关系中的工况对应后找到目标开关频率即可；若映射关系是工况和开关频率的之间的关系式，则将当前工况代入该关系式中，以确定目标开关频率。确定目标开关频率的具体方式取决于映射关系的建立情况，本技术在此不做特别的限定。
[0073]
可以理解的是，本发明提供的一种dc/dc变换器的控制方法可以直接利用变换器的控制器实现，直接在线完成对目标开关频率的确定过程；也可以在其他控制器上完成构建后，直接将映射关系导入变换器的控制器中，离线完成关系构建后再投入应用，具体取决于实际应用中变换器的控制器的处理速度和内存容量等因素，本技术在此不做特别的限定。
[0074]
请参照图2，图2为本发明提供的一种dc/dc变换器的双环控制框图；变换器通常采用的双环控制以及其中的pwm环节可以看作为一阶延迟环节，其延迟时间为变换器中开关器件的开关周期，因此提高开关频率可提高变换器的控制的响应速度。图2中的模型指的是dc/dc变换器的电路，控制系统指的是变换器的控制系统，u
cref
为变换器高压侧电压给定值，g
pi1
为电压外环pi控制器，g
pi0
为电流内环pi控制器，g1(s)为变换器从占空比d到电感电流i
l
的传递函数，g0(s)为高压侧电压uc到电感电流i
l
的传递函数。
[0075]
由变换器的双环控制框图不难理解的是，选择不同的开关频率可以得到不同的设计参数以及控制效果。且其中的各参数变量除了和开关频率有关之外，还是与变换器的运行工况，即dc/dc变换器的输入电压，输出电压和输出电流有关。因此采用固定的开关频率进行控制时，无法让变换器在任何工况下使各变换器的各控制效果都能满足要求，达到最
优，因此需要所以本技术提供的dc/dc变换器的控制方法，对变换器实现变频控制。
[0076]
本发明提供了一种dc/dc变换器的控制方法，在dc/dc变换器的电路确定后，先根据具体的电路确定可选的开关频率的初始区间；然后需要通过确定一个最优的开关频率对dc/dc变换器的电感电流纹波和总损耗进行优化，而影响目标函数分别与电感电流纹波和总损耗成正比，因此可以通过调整影响目标函数达到优化电感电流纹波和总损耗的目的；此时可以通过影响目标函数与电感电流纹波和总损耗之间的对应关系，开关频率的初始区间和影响目标函数建立dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系，通过调整开关频率确定每个工况下效果最好的影响目标函数及其对应的开关频率，得到每个工况对应的最优的开关频率；在获取的dc/dc变换器的当前运行参数之后，基于该映射关系确定目标开关频率，从而确定在当前运行工况下可以兼顾电感电流纹波和总损耗的最优的开关频率，不同的运行参数对应变换器的不同的运行工况，根据变换器的实时运行工况对开关频率进行调整，通过变频控制的方式使变换器始终处于最优的控制效果中，在减小电感电流纹波的同时，提高变换器的工作效率和响应速度，确保了变换器的控制效果。
[0077]
在上述实施例的基础上，
[0078]
请参照图3，图3为本发明提供的一种dc/dc变换器的电路结构示意图；电路中的l1，l2和l3为变换器的斩波电感，i
l1
为流经电感l1的电流，i
l2
为流经电感l2的电流，i
l3
为流经电感l3的电流，c为变换器的电容，q1，q2，q3，q4，q5和q6为变换器的开关器件，v
in
表示变换器的输入电压，vo表示变换器的输出电压，io表示变换器的输出电流。
[0079]
作为一种优选地实施例，利用对应关系，初始区间和影响目标函数建立dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系，包括：
[0080]
利用对应关系和dc/dc变换器的预设工况在初始区间中确定使影响目标函数最小的对象开关频率；
[0081]
将对象开关频率设置为预设工况对应的开关频率。
[0082]
考虑到通常情况下会同时兼顾变换器的变换器的效率和纹波的大小，选取使变换器的控制效果达到最好的开关频率作为目标开关频率，在确定工况和开关频率之间的映射关系的时候，将影响目标函数最小时对应的对象开关频率作为与工况对应的开关频率；同时开关频率需要位于初始区间内。
[0083]
具体地，通过对多个预设工况对应的开关频率的确定可以实现dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系的建立过程，对应预设工况的具体数量和相关参数取值等本技术在此不做特别的限定，可以根据dc/dc变换器的实际应用需求选择常用的工况。
[0084]
具体地，将使影响目标函数最小的对象开关频率作为预设工况对应的开关频率，使得选取的开关频率可以使dc/dc变换器在该预设工况下工作时，利用该开关频率可以达到最优的控制效果，同时兼顾变换器的变换器的效率和纹波的大小，避免变换器的工况变化时产生的效率过低，纹波过大以及响应速度慢等情况，提高了提高变换器的工作效率和响应速度，确保了变换器的控制效果。
[0085]
作为一种优选地实施例，基于dc/dc变换器的电路确定dc/dc变换器的开关频率的初始区间，包括：
[0086]
基于dc/dc变换器的斩波电感，电感电流纹波率的预设区间和斩波电感-开关频率的关系式确定dc/dc变换器的开关频率的初始区间的第一区间；
[0087]
基于dc/dc变换器的效率要求区间和效率-开关频率的关系式确定dc/dc变换器的开关频率的初始区间的第二区间；
[0088]
将第一区间和第二区间的交集作为开关频率的初始区间。
[0089]
在实际应用中，对于开关频率的初始区间的确定通常是利用电感电流纹波率的预设区间和效率要求区间实现的，通过电感电流纹波率的预设区间确定开关频率的下限值，通过效率要求区间确定开关频率的上限值。
[0090]
具体地，当所述dc/dc变换器为两电平三相交错并联拓扑的电路结构时，所述斩波电感-开关频率的关系式为：
[0091][0092]
其中，l1，l2和l3为所述dc/dc变换器的斩波电感的电感值，v
in
为所述dc/dc变换器的输入电压，vo为所述dc/dc变换器的输出电压，r1为所述斩波电感中l1的电感电流纹波率，i
l1
为流经l1的电流值，f为所述dc/dc变换器的开关频率。
[0093]
变换器的输出电流对应的电感电流纹波率的计算公式如下：
[0094][0095]
其中，ro为变换器的输出电流对应的电感电流纹波率，r为变换器的电感电流纹波率，且r1＝r，d为变换器的占空比。
[0096]
在变换器的电路确定后，斩波电感的电感值是固定值，当变换器工作在额定工况下时，上述公式中的变量为电感电流纹波率和开关频率，此时可以根据电感电流纹波率的预设区间确定开关频率的第一区间，通常情况下，会要求电感电流纹波率低于某值，也即f的第一区间也就是开关频率的下限值。
[0097]
具体地，效率-开关频率的关系式为：
[0098][0099]
其中，η为变换器的效率，po为变换器的输出功率，p
loss
为变换器的功率损耗，而变换器的功率损耗与开关频率有关，在变换器的电路确定且工作在稳定工况下时，上述公式中的变量为效率和开关频率，此时可以根据效率要求区间确定开关频率的第二区间，通常情况下，会要求效率高于某值，也即f的第二区间也就是开关频率的上限值。
[0100]
具体地，可以在变换器的电路确定后，根据变换器在额定工况下对于电感电流纹
波率和效率的需求区间确定开关频率的初始区间，为后续确定目标开关频率提供边界条件，保证变换器的正常运行。
[0101]
作为一种优选地实施例，将第一区间和第二区间的交集作为开关频率的初始区间之后，还包括：
[0102]
基于dc/dc变换器的支撑电容和支撑电容-开关频率的关系式确定dc/dc变换器的开关频率的第三区间；
[0103]
将第一区间，第二区间和第三区间的交集作为开关频率的初始区间。
[0104]
可以理解的是，在变换器的电路确定后，除了斩波电感之外，电路中支撑电容的相关参数也为固定值，因此可以通过支撑电容和其与开关频率之间的关系进一步确定开关频率的初始区间。
[0105]
当所述dc/dc变换器为两电平三相交错并联拓扑的电路结构时，所述支撑电容-开关频率的关系式为：
[0106][0107]
其中，iomax为所述dc/dc变换器的输出电流的最大值，vin_min为所述dc/dc变换器的输入电压的最小值，r为所述dc/dc变换器的电感电流纹波率，f为所述dc/dc变换器的开关频率。
[0108]
在变换器的电路确定且工作在稳定工况下时，上述公式中的变量为电感电流纹波率和开关频率，此时可以根据该公式确定开关频率的第三区间，与前述的第一区间和第二区间结合，可以进一步确定开关频率的初始区间。
[0109]
支撑电容电压纹波的计算公式如下：
[0110][0111]
其中，v
cin，pk-pk
为所述dc/dc变换器的输出电流的最大值，vin_min为所述dc/dc变换器的输入电压的最小值，c为dc/dc变换器中的电容值，f为所述dc/dc变换器的开关频率，d为变换器的占空比，io为dc/dc变换器的输出电流。
[0112]
具体地，可以在变换器的电路确定后，可根据支撑电容-开关频率的关系式进一步确定开关频率的初始区间，为后续确定目标开关频率提供边界条件，进一步保证开关频率的初始区间的准确性，确保变换器的正常运行。
[0113]
作为一种优选地实施例，基于dc/dc变换器的电感电流纹波和dc/dc变换器的总损耗确定影响目标函数与电感电流纹波和总损耗之间的对应关系，包括：
[0114]
将dc/dc变换器的电感电流纹波和dc/dc变换器的总损耗进行加权，以确定影响目标函数的适应度函数关系式；
[0115]
适应度函数为：
[0116][0117]
其中，为权重占比，f为影响目标函数，δi为dc/dc变换器的电感电流纹波，p
all
为dc/dc变换器的总损耗。
[0118]
可以理解的是，可以采用遗传算法中的适应度函数来确定影响目标函数，选取电感电流纹波和dc/dc变换器的总损耗的加权作为适应度函数，来确定影响目标函数与约束条件之间的关系式，权重占比在对于纹波要求较高时，可适当提高，对于变流器效率要求较高时，可适当减小。电感电流纹波和dc/dc变换器的总损耗与开关频率和变换器的工况有关，在变换器的工况确定的情况下，可根据具体的应用场景对开关频率进行更改，影响目标函数也会随之更改，在不同影响目标函数的情况下，优化程度不同。对于权重占比的具体取值等可以根据实际应用需求进行调整。
[0119]
具体地，通过遗传算法的适应度函数来确定影响目标函数，通过对电感电流纹波和dc/dc变换器的总损耗的加权实现兼顾电感电流纹波和dc/dc变换器的总损耗的条件下对变换器的优化过程，可以根据应用需求确定影响目标函数，从而确定需求的开关频率，以便于后续对工况和开关频率之间的映射关系的确定过程的准确实现，从而实现对变换器的变频控制。
[0120]
作为一种优选地实施例，当dc/dc变换器为两电平三相交错并联拓扑的电路结构时，dc/dc变换器的电感电流纹波为：
[0121][0122]
其中，δi为dc/dc变换器的电感电流纹波，v
in
为dc/dc变换器的输入电压，vo为dc/dc变换器的输出电压，l为dc/dc变换器的电感，d为dc/dc变换器的占空比，f为dc/dc变换器的开关频率。
[0123]
不难理解的是，根据上述公式，可以明确看出，在变换器的工况确定的情况下，电感电流纹波与开关频率之间成反比，且电感电流纹波只与开关频率有关，开关频率越大，对电感电流纹波的优化效果越好。因此，对变换器的开关频率的调整过程可以有效实现对电感电流纹波的优化过程。
[0124]
本实施例明确了电感电流纹波和开关频率之间的关系，对变换器的开关频率的调整过程可以有效实现对电感电流纹波的优化过程，从而避免变换器的工况变化时，造成的纹波过大的情况。
[0125]
作为一种优选地实施例，dc/dc变换器的总损耗包括功率器件的通态损耗，功率器件的开关损耗，功率器件的体二极管损耗和dc/dc变换器中电感的磁芯损耗；
[0126]
功率器件的通态损耗为：
[0127][0128]
功率器件的开关损耗为：
[0129][0130]
功率器件的体二极管损耗为：
[0131][0132]
电感的磁芯损耗为：
[0133][0134]
其中，p
swich
为功率器件的开关损耗，p
diode
为功率器件的体二极管损耗，f为dc/dc变换器的开关频率，i
d*
为功率器件对应的特定测试电流，v
ds*
为功率器件对应的特定测试电压，e
on
为在特定测试条件下，功率器件单次导通的损耗能量，e
off
为在特定测试条件下，功率器件单次关断的损耗能量，id为功率器件在实际应用工况下的电流，v
ds
为功率器件在实际应用工况下的电压，e
rr
为体二极管反向开关损耗，vf为体二极管正向导通压降，if为体二极管平均导通电流，t
on
为功率器件的导通时间，t
off
为功率器件的关断时间，d为dc/dc变换器的占空比，i
ds
为通态时流过功率器件的有效电流，r
ds
为功率器件的通态电阻，n为电感的导线匝数，μ为电感的有效磁导率，le为电感的平均磁路长度。
[0135]
可以理解的是，在变换器运行过程中，功率器件、电感、滤波电容等都会产生损耗，为了提高变换器的效率，需要尽可能减小变换器在运行时的损耗。功率器件的损耗主要包括四个方面：通态损耗、截止损耗、开关损耗和体二极管损耗。
[0136]
功率器件的通态损耗的主要指的是电流流经功率器件时，内阻上产生的损耗。其计算公式如下式：
[0137][0138]
sic器件的通态电阻会随着sic mosfet的驱动电压和工作电流轻微变化，但是在工程应用中一般会选取数据手册中给出的典型值进行计算，因此在设计中可以直接通过下式进行通态损耗的计算：
[0139][0140]
开关损耗的计算可通过下面两个公式进行计算：
[0141][0142]
[0143]
其中，t
on
为开通过程中电压和电流的交叉时间，t
off
为关断过程中的交叉时间，v
ds
(t)是开关器件在开通和关断过程中的电压,i
ds
(t)是开关器件在开通和关断过程中的电流。
[0144]
在实际应用中，通常直接根据下式进行开关损耗的计算：
[0145][0146]
具体地，当器件处于关断状态时，其漏电流可以忽略不计，因此器件的截止损耗可以忽略不计。
[0147]
体二极管损耗的计算公式如式(6)所示，包括通态损耗p
dio_on
、组态损耗p
dio_off
和反向恢复损耗p
dio_rr
，且
[0148]
p
dio_on
＝f
×vf
×
if[0149]
p
dio_off
＝f
×vr
×
ir[0150]
p
dio_rr
＝f
×vr
×qrr
[0151]
式中，vf为体二极管正向导通压降，if为体二极管平均导通电流，vr为体二极管的反向阻断电压，ir为体二极管的反向漏电流；q
rr
为反向恢复电荷。
[0152]
由于sic器件漏电流基本为零，因此在工程中计算体二极管损耗时，可直接采用下式进行计算：
[0153][0154]
变换器的电容损耗分为飞跨电容损耗和支撑电容损耗，其损耗的计算方法如下式所示：
[0155][0156]
p
cin
＝i
cin2resr
[0157][0158]
p
cfly
＝i
cfly2resr
[0159]
其中，i
cin
为支撑电容的电流有效值，i
cfly
为支撑电容的电流有效值，i
l
为电感电流，io为变换器的输出电流，r
esr
为支撑电容的等效内阻。
[0160]
dc/dc变换器的斩波电感的损耗主要分为两个方面：一是交变的磁通在此心中产生的磁芯损耗，二是电流在导线中引起的导线损耗。磁芯损耗的计算公式如下式所示：
[0161][0162]
式中的2.254以及3.118等相关系数均为电感以及电感磁芯的技术手册中的设计参数及相关数据，与电感本身的材料，设计参数以及磁芯的材料等相关。
[0163]
导线损耗的计算公式如下式所示：
[0164]
p
cu
＝i
lrms2rl
[0165]
其中，i
lrms
为电感的有效电流值，r
l
为电感的等效电阻。
[0166]
由三相三电平变换器的电路拓扑和工作原理可知，其变换器的总损耗的计算公式如下所示：
[0167]
p
all
＝6p
con
+6p
diode
+6p
swich
+p
cin
+3p
cfly
+3p
fe
+3p
cu
[0168]
将上述的各个部分损耗的公式带入即可得到变换器的总损耗，且在上述公式中，u
in
为所述dc/dc变换器的输入电压，uo为所述dc/dc变换器的输出电压。
[0169]
不难理解的是，根据上述公式，可以明确看出，在变换器的工况确定的情况下，变换器的总损耗只与开关频率有关，且变换器的总损耗与变换器的效率直接相关，p
all
与p
loss
相等。因此，对变换器的开关频率的调整过程可以有效实现对变换器的效率的优化过程。
[0170]
本实施例明确了变换器的效率和开关频率之间的关系，对变换器的开关频率的调整过程可以有效实现对变换器的效率的优化过程，从而避免变换器的工况变化时，造成的效率过低的情况。
[0171]
请参照图4，图4为本发明提供的一种dc/dc变换器的控制装置的结构示意图；为解决上述技术问题，本发明还提供了一种dc/dc变换器的控制装置，包括：
[0172]
存储器1，用于存储计算机程序；
[0173]
处理器2，用于实现如前述的dc/dc变换器的控制方法的步骤。
[0174]
其中，处理器2可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器2可以采用dsp(digital signal processor，数字信号处理器)、fpga(field－programmable gate array，现场可编程门阵列)、pla(programmable logic array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器2也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称中央处理器；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器2可以集成gpu(graphics processing unit，图形处理器)，gpu用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器2还可以包括ai(artificial intelligence，人工智能)处理器，该ai处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
[0175]
存储器1可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器1还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。本实施例中，存储器1至少用于存储以下计算机程序，其中，该计算机程序被处理器2加载并执行之后，能够实现前述任意一个实施例公开的dc/dc变换器的控制方法的相关步骤。另外，存储器1所存储的资源还可以包括操作系统和数据
等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中，操作系统可以包括windows、unix、linux等。数据可以包括但不限于dc/dc变换器的控制方法的数据等。
[0176]
在一些实施例中，dc/dc变换器的控制装置还可包括有显示屏、输入输出接口、通信接口、电源以及通信总线。
[0177]
本领域技术人员可以理解的是，图4中示出的结构并不构成对dc/dc变换器的控制装置的限定，可以包括比图示更多或更少的组件。
[0178]
对于本发明提供的一种dc/dc变换器的控制装置的介绍请参照上述dc/dc变换器的控制方法的实施例，本发明在此不再赘述。
[0179]
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述的dc/dc变换器的控制方法的步骤。
[0180]
可以理解的是，如果上述实施例中的方法以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。具体地，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘及移动硬盘等，或适合于存储指令、数据的任何类型的媒介或设备等等，本技术在此不做特别的限定。
[0181]
对于本发明提供的一种计算机可读存储介质的介绍请参照上述dc/dc变换器的控制方法的实施例，本发明在此不再赘述。
[0182]
请参照图5，图5为本发明提供的一种dc/dc变换器的控制系统的结构示意图。为解决上述技术问题，本发明还提供了一种dc/dc变换器的控制系统，包括：
[0183]
初始区间确定单元21，用于基于dc/dc变换器的电路确定dc/dc变换器的开关频率的初始区间；
[0184]
确定关系单元22，用于基于dc/dc变换器的电感电流纹波和dc/dc变换器的总损耗确定影响目标函数与电感电流纹波和总损耗之间的对应关系，影响目标函数分别与电感电流纹波和总损耗成正比；
[0185]
确定映射单元23，用于利用对应关系，初始区间和影响目标函数建立dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系；
[0186]
获取单元24，用于获取dc/dc变换器的当前运行参数，并基于当前运行参数确定dc/dc变换器的当前工况，运行参数包括dc/dc变换器的输入电压，输出电压和输出电流；
[0187]
确定开关频率单元25，用于基于映射关系确定目标开关频率，并通过目标开关频率控制dc/dc变换器运行。
[0188]
作为一种优选地实施例，确定映射单元23包括：
[0189]
确定对象开关频率单元，用于利用对应关系和dc/dc变换器的预设工况在初始区间中确定使影响目标函数最小的对象开关频率；
[0190]
设置单元，用于将对象开关频率设置为预设工况对应的开关频率。
[0191]
作为一种优选地实施例，初始区间确定单元21包括:
[0192]
第一区间确定单元，用于基于dc/dc变换器的斩波电感，电感电流纹波的预设区间
和斩波电感-开关频率的关系式确定dc/dc变换器的开关频率的初始区间的第一区间；
[0193]
第二区间确定单元，用于基于dc/dc变换器的效率要求区间和效率-开关频率的关系式确定dc/dc变换器的开关频率的初始区间的第二区间；
[0194]
初始区间确定第一子单元，用于将第一区间和第二区间的交集作为开关频率的初始区间。
[0195]
作为一种优选地实施例，初始区间确定单元21还包括:
[0196]
第三区间确定单元，用于基于dc/dc变换器的支撑电容和支撑电容-开关频率的关系式确定dc/dc变换器的开关频率的第三区间；
[0197]
初始区间确定第二子单元，用于将第一区间，第二区间和第三区间的交集作为开关频率的初始区间。
[0198]
作为一种优选地实施例，确定关系单元22包括：
[0199]
确定适应度函数单元，用于将dc/dc变换器的电感电流纹波和dc/dc变换器的总损耗进行加权，以确定影响目标函数的适应度函数关系式。
[0200]
对于本发明提供的一种dc/dc变换器的控制系统的介绍请参照上述dc/dc变换器的控制方法的实施例，本发明在此不再赘述。
[0201]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0202]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0203]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种dc/dc变换器的控制方法，其特征在于，包括：基于所述dc/dc变换器的电路确定所述dc/dc变换器的开关频率的初始区间；基于所述dc/dc变换器的电感电流纹波和所述dc/dc变换器的总损耗确定影响目标函数与所述电感电流纹波和所述总损耗之间的对应关系，所述影响目标函数分别与所述电感电流纹波和所述总损耗成正比；利用所述对应关系，所述初始区间和所述影响目标函数建立所述dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系；获取所述dc/dc变换器的当前运行参数，并基于所述当前运行参数确定所述dc/dc变换器的当前工况，所述运行参数包括所述dc/dc变换器的输入电压，输出电压和输出电流；基于所述映射关系确定目标开关频率，并通过所述目标开关频率控制所述dc/dc变换器运行。2.如权利要求1所述的dc/dc变换器的控制方法，其特征在于，所述利用所述对应关系，所述初始区间和所述影响目标函数建立所述dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系，包括：利用所述对应关系和所述dc/dc变换器的预设工况在所述初始区间中确定使所述影响目标函数最小的对象开关频率；将所述对象开关频率设置为所述预设工况对应的开关频率。3.如权利要求1所述的dc/dc变换器的控制方法，其特征在于，所述基于所述dc/dc变换器的电路确定所述dc/dc变换器的开关频率的初始区间，包括：基于所述dc/dc变换器的斩波电感，电感电流纹波率的预设区间和斩波电感-开关频率的关系式确定所述dc/dc变换器的开关频率的初始区间的第一区间；基于所述dc/dc变换器的效率要求区间和效率-开关频率的关系式确定所述dc/dc变换器的开关频率的初始区间的第二区间；将所述第一区间和所述第二区间的交集作为所述开关频率的初始区间。4.如权利要求3所述的dc/dc变换器的控制方法，其特征在于，所述将所述第一区间和所述第二区间的交集作为所述开关频率的初始区间之后，还包括：基于所述dc/dc变换器的支撑电容和支撑电容-开关频率的关系式确定所述dc/dc变换器的开关频率的第三区间；将所述第一区间，所述第二区间和所述第三区间的交集作为所述开关频率的初始区间。5.如权利要求1至4任一项所述的dc/dc变换器的控制方法，其特征在于，所述基于所述dc/dc变换器的电感电流纹波和所述dc/dc变换器的总损耗确定影响目标函数与所述电感电流纹波和所述总损耗之间的对应关系，包括：将所述dc/dc变换器的电感电流纹波和所述dc/dc变换器的总损耗进行加权，以确定影响目标函数的适应度函数关系式；所述适应度函数为：其中，为权重占比，f为影响目标函数，δi为所述dc/dc变换器的电感电流纹波，p
all
为所述dc/dc变换器的总损耗。6.如权利要求5所述的dc/dc变换器的控制方法，其特征在于，当所述dc/dc变换器为两电平三相交错并联拓扑的电路结构时，所述dc/dc变换器的电感电流纹波为：其中，δi为所述dc/dc变换器的电感电流纹波，v
in
为所述dc/dc变换器的输入电压，v
o
为所述dc/dc变换器的输出电压，l为所述dc/dc变换器的电感，d为所述dc/dc变换器的占空比，f为所述dc/dc变换器的开关频率。7.如权利要求6所述的dc/dc变换器的控制方法，其特征在于，所述dc/dc变换器的总损耗包括功率器件的通态损耗，所述功率器件的开关损耗，所述功率器件的体二极管损耗和所述dc/dc变换器中电感的磁芯损耗；所述功率器件的通态损耗为：所述功率器件的开关损耗为：所述功率器件的体二极管损耗为：所述电感的磁芯损耗为：其中，p
swich
为所述功率器件的开关损耗，p
diode
为所述功率器件的体二极管损耗，f为所述dc/dc变换器的开关频率，i
d*
为所述功率器件对应的特定测试电流，v
ds*
为所述功率器件对应的特定测试电压，e
on
为在特定测试条件下，所述功率器件单次导通的损耗能量，e
off
为在特定测试条件下，所述功率器件单次关断的损耗能量，i
d
为所述功率器件在实际应用工况下的电流，v
ds
为所述功率器件在实际应用工况下的电压，e
rr
为体二极管反向开关损耗，v
f
为体二极管正向导通压降，i
f
为体二极管平均导通电流，t
on
为所述功率器件的导通时间，t
off
为所述功率器件的关断时间，d为所述dc/dc变换器的占空比，i
ds
为通态时流过所述功率器件的有效电流，r
ds
为所述功率器件的通态电阻，n为所述电感的导线匝数，μ为所述电感的有效磁导率，l
e
为所述电感的平均磁路长度。8.一种dc/dc变换器的控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于实现如权利要求1至7任一项所述的dc/dc变换器的控制方法的步骤。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的dc/dc变换器的控制方法的步骤。10.一种dc/dc变换器的控制系统，其特征在于，包括：初始区间确定单元，用于基于所述dc/dc变换器的电路确定所述dc/dc变换器的开关频率的初始区间；确定关系单元，用于基于所述dc/dc变换器的电感电流纹波和所述dc/dc变换器的总损耗确定影响目标函数与所述电感电流纹波和所述总损耗之间的对应关系，所述影响目标函数分别与所述电感电流纹波和所述总损耗成正比；确定映射单元，用于利用所述对应关系，所述初始区间和所述影响目标函数建立所述dc/dc变换器的工况和开关频率的映射关系；获取单元，用于获取所述dc/dc变换器的当前运行参数，并基于所述当前运行参数确定所述dc/dc变换器的当前工况，所述运行参数包括所述dc/dc变换器的输入电压，输出电压和输出电流；确定开关频率单元，用于基于所述映射关系确定目标开关频率，并通过所述目标开关频率控制所述dc/dc变换器运行。

技术总结
本发明公开了一种DC/DC变换器的控制方法、装置、系统及介质，涉及电路领域，通过影响目标函数与电感电流纹波和总损耗之间的对应关系，开关频率的初始区间和影响目标函数建立DC/DC变换器的工况和开关频率的映射关系，得到每个工况对应的最优开关频率；在获取DC/DC变换器的当前运行参数之后，基于该映射关系确定目标开关频率，从而确定在当前运行工况下可以兼顾电感电流纹波和总损耗的最优的开关频率，不同的运行参数对应变换器的不同的运行工况，根据变换器的实时运行工况对开关频率进行调整，通过变频控制使变换器始终处于最优的控制效果中，在减小电感电流纹波的同时，提高变换器的工作效率和响应速度，确保了变换器的控制效果。制效果。制效果。


技术研发人员：马兴 杨爽 陈咏涛 廖玉祥 张友强 董光德 付昂 朱小军 王瑞妙 刁传飞 杨中平 钟志宏 赵小娟 周敬森 朱晟毅
受保护的技术使用者：国网重庆市电力公司 国家电网有限公司
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/23