CN104242664A - 一种双pwm下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法，包括：1)采用双PWM调制策略，根据三相变压器两侧相应驱动信号的移相角和占空比的改变而产生的变压器两侧电压与电流波形的不同情况，确定七种开关模式；2)计算确定的七种开关模式相应的软开关范围；3)计算每种开关模式的软开关范围内流过三相变压器的电流峰值最小的情况；4)将得到的计算结果进行比较，获得整个功率范围内能够实现软开关前提下流过三相变压器的电流峰值最小的情况；5)给定输出功率和电压传输比，通过判断其所在范围确定开关模式以及相应占空比和移相角。本发明在实现软开关的基础上使电流峰值最小，减小开关器件的开关损耗，提高变换器效率。

Description

一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法

技术领域

本发明属于三相隔离型双向直流变换器技术领域，具体涉及一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法。

背景技术

脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

现有的三相隔离型双向直流变换器由一个三相高频变压器连接两个三相桥式电路构成，其拓扑结构如图1所示。它是一种隔离型、双向、升降压型的直流变换器。它具有高功率密度、较低的开关应力和易于实现软开关等优点。另外，与单相的变换器相比，这种变换器采用三相交错的结构，提高了功率等级的同时也减小了电流纹波。它适用于中、大功率场合，适合应用于混合动力汽车、不间断电源以及智能电网能量存储系统等。

在控制方法和调制策略方面，目前有一种传统的移相调制策略。在变压器两侧的开关器件上给定导通角为180度的驱动信号，每相上下两个开关器件的驱动信号反相，三相的驱动相位依次滞后120度。这种调制策略只有一个控制量——变压器两侧驱动信号的移相角通过改变移相角的大小和正负，就可以控制输出功率大小和方向。这种控制方法实现简单，但能够实现软开关的功率范围较小。在输出电压变化较大或轻载的情况下，变换器会由于开关器件不能够实现软开关而降低效率。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法，该调制方法能够在全功率范围内实现软开关的基础上，使电流峰值达到最低，从而提高效率，以解导致效率降低的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法，包括以下步骤：

1)采用双PWM调制策略，根据三相变压器两侧相应驱动信号的移相角和占空比D的改变而产生的变压器两侧电压与电流波形的不同情况，确定七种开关模式；

2)计算步骤1)确定的七种开关模式相应的关于电压传输比d的软开关范围；

3)计算步骤2)得到的每种开关模式的软开关范围内流过三相变压器的电流峰值最小的情况；

4)将步骤3)得到的七种开关模式软开关范围中功率重叠区域的电流峰值进行比较，获得整个输出功率范围内能够实现软开关前提下流过三相变压器的电流峰值最小的情况；

5)根据实际需求，确定输出功率P₀和电压传输比d，通过判断输出功率P₀和电压传输比d所在范围确定开关模式以及相应占空比D和移相角

步骤1)所述的驱动信号为在三相变压器两侧的上半桥臂的所有开关器件上均给定占空比为D的驱动信号，且每相上下两个开关器件的驱动信号反相，三相的驱动相位依次滞后120度。

占空比D和占空比1-D之间具有相同的影响效率的因素，占空比取值在内；所述影响效率的因素包括软开关范围、电流峰值及电流有效值。

步骤2)是根据零电压开通实现条件计算七种开关模式的软开关范围；其中，开关模式I和II没有所有器件都可以实现零电压开通的范围，其它五种开关模式的软开关范围分别为：

III、IV：

V、VI：

VII：

其中：d为电压传输比，是输出侧电压和变压器匝数的乘积与输入侧电压的比值。

步骤3)中利用Karush-Kuhn-Tucker条件优化控制策略，在实现软开关的基础上，求出每种开关模式中流过三相变压器电流峰值最小的情况。

步骤4)利用数值比较的方法求出各开关模式之间电流峰值最小的情况，能够得到8种情况，此8种情况中，P₀[p.u.]与d的范围和相应两个控制量的表达式如下表所示：

其中，P₀[p.u.]为P₀以为基值的标幺值，V₁为输入侧电压，ω为开关角频率，L为三相变压器每相漏感值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在实现软开关的基础上，计算出流过三相变压器漏电感的电流峰值最小值，降低关断损耗，从而进一步提高效率。本发明可以在全功率范围内实现所有开关器件的零电压开通，减小了开通损耗，在轻载或电压变化较大的情况下提高了效率。

进一步地，本发明在三相变压器两侧上半桥臂所有开关器件上均给定占空比为D的驱动信号，三相变压器两侧对应相的驱动信号具有移相角通过改变移相角的正负可以改变功率传输方向，而改变占空比和移相角的大小可以改变输出功率的大小，这种调制策略可以在整个功率范围内实现所有开关器件的软开关。

进一步地，本发明根据零电压开通实现条件，计算出了七种开关模式相应的软开关范围，且在控制过程中，始终保持选定的占空比和移相角满足相应开关模式的软开关范围不等式，通过保证所有开关器件都能实现软开关，减小开通损耗。

附图说明

图1为三相隔离型双向直流变换器拓扑结构；

图2为双PWM调制下三相隔离型双向直流变换器的驱动与运行波形；

图3为七种开关模式区域划分。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

三相隔离型双向直流变换器的拓扑结构如图1所示。其中，V₁是输入侧直流电压，V₂是输出侧直流电压，V_ap是三相变压器一次侧a相电压，V_as是三相变压器二次侧a相电压，i_La是变压器a相电流，L_a是变压器a相漏感，N：1为变压器的变比。

首先根据由于变压器两侧相应驱动信号的移相角和占空比D改变而产生变压器两侧电压与电流波形的不同情况，确定七种开关模式，如图3所示。

以开关模式V为例，图2为开关模式V中三相隔离型双向直流变换器的驱动与运行波形，根据三相变压器一次侧a相电压V_ap和二次侧a相电压V_as，再利用公式计算出a相电流表达式i_La。

利用输出功率计算式计算出功率表达式

根据软开关的条件：

i_La(0)＜0                    (4)

i_La(π)＞0                   (5)

将其带入功率表达式中，解得开关模式V所对应的软开关范围：

然后再用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件对控制策略进一步优化，在实现软开关的基础上，求出每种开关模式中流过三相变压器电流峰值最小的情况。根据a相电流表达式i_La，得到开关模式V中的电流峰值的表达式为：

根据电流峰值的表达式和输出功率的表达式，开关模式V中的KKT公式为：

并令其满足条件：

$L(X,\mathrm{\λ},\mathrm{\μ})=f\left(X\right)+\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j{h}_j\left(X\right)+\underset{k=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_k{g}_k\left(X\right)$

$\frac{\∂L}{\∂X}{|}_{X=X^{*}}=0;$

λ_j≠0；

h_j(X^*)＝0,j＝1,2,...,p；

μ_k≥0；

g_k(X^*)≤0；

μ_kg_k(X^*)＝0,k＝1,2,...,q；

求解后得到电流峰值最小值的情况。再与其它几种开关模式对于输出功率重叠部分进行数值比较，得到全功率范围内电流峰值的最小值情况，如表1所示。

表1

表1中的情况1中公式为：

$D=\frac{2\mathrm{d\π}+{2d}^2\mathrm{\π}-\sqrt{\mathrm{\π}}\sqrt{{2d}^2\mathrm{\π}+{4d}^3\mathrm{\π}-{2d}^4\mathrm{\π}-9d{P}_0[p.u.]-{18d}^2{P}_0[p.u.]-{27d}^3{P}_0[p.u.]}}{3(d+{2d}^2+{3d}^3)\mathrm{\π}}$

最后是根据特定输出功率和电压传输比确定两个控制量完成对变换器的控制。以一种特定的情况为例，设定变换器基本参数分别为V₁＝360V，V₂＝30V，N＝6，L_a＝118.6μH，开关频率f_s＝40kHz。给定输出电压P₀的目标值为1000W。

由变换器的基本参数可以计算得到：电压传输比开关角频率ω＝2πf_s，输出电压的标幺值为

根据计算得到的电压传输比和输出电压的标幺值，在表1中找到其所在范围的对应情况，得到双PWM调制所需的两个控制量。

在这种情况里，由于d＝0.5，P₀[p.u.]＝0.23，满足情况4中对电压传输比和输出电压的标幺值的范围要求：

$\frac{3}{10}<d\&le;\frac{1}{2},\frac{\mathrm{d\&pi;}}{9}(1+2d-{3d}^2)<P_0[p.u.]<\frac{\mathrm{d\&pi;}}{36}(7-{4d}^2).$

因此，可以得到两个控制量分别为：

双PWM调制方法的驱动脉冲波形和运行电压波形如图2所示。其中T₁、T₃、T₅、T₇、T₉、T₁₁分别代表相应开关器件的驱动信号。如图2所示，在三相变压器两侧每相上半桥臂所有开关器件上均给定占空比为D＝0.357718的驱动信号，每相下半桥臂上开关器件的驱动信号与之反相。三相变压器同一侧三相的驱动相位依次滞后120度。三相变压器两侧对应相的驱动信号具有移相角

在将这种驱动脉冲信号给定到变换器所有开关器件上之后，便完成了整个调制策略的全过程。

Claims (6)

1.一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用双PWM调制策略，根据三相变压器两侧相应驱动信号的移相角和占空比D的改变而产生的变压器两侧电压与电流波形的不同情况，确定七种开关模式；

2)计算步骤1)确定的七种开关模式相应的关于电压传输比d的软开关范围；

3)计算步骤2)得到的每种开关模式的软开关范围内流过三相变压器的电流峰值最小的情况；

4)将步骤3)得到的七种开关模式软开关范围中功率重叠区域的电流峰值进行比较，获得整个输出功率范围内能够实现软开关前提下流过三相变压器的电流峰值最小的情况；

5)根据实际需求，确定输出功率P₀和电压传输比d，通过判断输出功率P₀和电压传输比d所在范围确定开关模式以及相应占空比D和移相角

2.根据权利要求1所述的一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法，其特征在于，步骤1)所述的驱动信号为在三相变压器两侧的上半桥臂的所有开关器件上均给定占空比为D的驱动信号，且每相上下两个开关器件的驱动信号反相，三相的驱动相位依次滞后120度。

3.根据权利要求1所述的一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法，其特征在于，占空比D和占空比1-D之间具有相同的影响效率的因素，占空比取值在内；所述影响效率的因素包括软开关范围、电流峰值及电流有效值。

4.根据权利要求1所述的一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法，其特征在于，步骤2)是根据零电压开通实现条件计算七种开关模式的软开关范围；其中，开关模式I和II没有所有器件都可以实现零电压开通的范围，其它五种开关模式的软开关范围分别为：

III、IV：

V、VI：

VII：

其中：d为电压传输比，是输出侧电压和变压器匝数的乘积与输入侧电压的比值。

5.根据权利要求1所述的一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法，其特征在于，步骤3)中利用Karush-Kuhn-Tucker条件优化控制策略，在实现软开关的基础上，求出每种开关模式中流过三相变压器电流峰值最小的情况。

6.根据权利要求1所述的一种双PWM下的三相隔离型双向直流变换器的调制方法，其特征在于，步骤4)利用数值比较的方法求出各开关模式之间电流峰值最小的情况，能够得到8种情况，此8种情况中，P₀[p.u.]与d的范围和相应两个控制量的表达式如下表所示：

其中，P₀[p.u.]为P₀以为基值的标幺值，V₁为输入侧电压，ω为开关角频率，L为三相变压器每相漏感值。