CN104753355A - 一种双向半桥三电平dc-dc变换器环流功率最小的优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于双向半桥三电平DC-DC变换器实现环流功率最小的优化控制方法，该控制方法通过在一、二次侧桥臂中点电压的正负电平之间加入一段零电平，减小环流功率；通过协调控制移相比和零电平的作用时间使输入与输出侧之间的环流功率最小，从而减少变换器损耗，提高变换器的整体效率。同时，在整个传输功率范围内，电路中的所有开关管都能够实现零电压导通，有效减少了功率器件的开关损耗。

Description

一种双向半桥三电平DC-DC变换器环流功率最小的优化控制方法

技术领域

本发明涉及隔离型双向DC-DC变换器的控制方法，尤其涉及一种双向半桥三电平DC-DC变换器的优化控制。

背景技术

隔离型双向DC-DC变换器既可实现输入和输出侧的电气隔离，也能实现能量的双向传输。它在智能微网、分布式发电系统以及电力机车牵引系统等领域被广泛使用。

隔离型双向半桥三电平DC-DC变换器的结构如图1所示，它由两个对称的半桥三电平电路、中频变压器和四个直流稳压电容组成。该变换器结构简单，功率密度大，能实现电气隔离且能量可双向流动；并且电路中每个开关管的电压应力只有输入或输出电压的一半，所以该变换器适合用于高压、大功率场合。

双向半桥三电平DC-DC变换器采用传统移相控制时的工作波形如图2所示。其控制原理为：电路中每个桥臂内部上桥臂两只开关管同时导通，下桥臂两只开关管与上桥臂两只开关管互补导通。两个桥臂之间相对称的两只开关管的导通信号之间存在移相比的正负决定传输功率的方向，其大小决定传输功率的大小。移相控制简单易实现，但是变换器中存在环流功率，如图2中的阴影部分，环流功率会增大开关管的电流应力，从而增大开关管的损耗，降低变换器的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对双向半桥三电平DC-DC电路结构的优化控制方法，实现环流功率最小的优化控制，从而减少变换器损耗，提高变换器的整体效率。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种双向半桥三电平DC-DC变换器环流功率最小的控制方法，控制器在双向半桥三电平DC-DC变换器每个桥臂的中点电压输出正、负和零三个电平，变换器的传输功率受零电平时间1-D₁和一、二次侧中点电压之间的移相比影响，通过协调控制零电平作用时间1-D₁和移相比在满足负载所需功率的前提下，实现环流功率最小的优化控制。

本发明方法是通过如下步骤实现的：

a)、控制器的电压控制模块通过对负载侧电压(V₂)和参考电压(V_2ref)的误差进行反馈控制，得到移相比

b)、读入a)结果，根据如下规则得到两侧桥臂中点电压的占空比D₁的值：

当的范围在时，D₁取：

当的范围在时，D₁取：

当的范围在时，D₁取：

当的范围在时，D₁取：

c)、将步骤a)、b)得到的和D₁输入开关信号产生模块，产生相应的开关信号，控制主电路中开关器件的通断。

环流功率最小优化控制方法分析如下，双向半桥三电平DC-DC变换器可以输出正、负和零三个电平，其传输功率的工作波形如图3所示。一个周期内，各开关管的导通情况如下：当S₁₁和S₁₂导通，V_AB为正电平；当S₁₂和VD₁或S₁₃和VD₂导通，V_AB为零电平；当S₁₃和S₁₄导通，V_AB为负电平。当S₂₁和S₂₂导通，V_CD为正电平，当S₂₂和VD₃或S₂₃和VD₄导通，V_CD为零电平，当S₂₃和S₂₄导通，V_CD为负电平。与传统移相控制方法相比，本发明方法通过在正、负电平之间加入一段零电平，起到减小环流功率的作用。本发明将V_AB和V_CD的零电平在一个开关周期内的作用时间均控制为(1-D₁)T_s/2。

双向半桥三电平DC-DC变换器传输功率的大小和方向受D₁和影响，其中为V_AB和V_CD之间的移相角对应的时间与半个开关周期的比值。随着1-D₁与之间大小关系的不同，变换器正向传输功率(V₁侧传向V2侧)分为两种工作情况A和B，工况A移相比小于零电平1-D₁的工作波形如图3(a)所示，工况B移相比大于零电平1-D₁的工作波形如图3(b)所示。变换器反向传输功率时(V₂侧传向V₁侧)，随着1-D₁与-之间大小关系的不同，也分为两种工作情况。

变换器中开关管实现软开关的条件为：在开关管导通前，工作电流是流经开关管的反并联二极管，直到电流反向，电流才流经开关管。电流流经一次侧开关管反并联二极管的这段时间也恰是功率环流的过程。下面根据正向传输功率的两种工况的工作波形图3(a)、(b)分析如何实现环流功率最小的控制。

图3(a)中所有开关管实现零电压导通的条件为：i_L(t₁)≥0，i_L(t₂)≤0，i_L(t₃)≥0。由图3(a)可知，i_L(t₁)＝i_L(t₂)，因此，正向传输功率工况A所有开关管实现零电压导通的条件为：

i_L(t₁)＝0。  (1)

由图3(a)的工作波形以及电感电流在一个周期内的平均值为零，可计算出i_L(t₁)为：

$i_L\left(t_1\right)=\frac{D_1(k-1)V_1}{8{\mathrm{Lf}}_s}---\left(2\right)$

式中k＝nV₂/V₁，n为变压器的变比。

由式(1)、(2)可知，正向传输功率工况A所有开关管实现零电压导通的条件为：k＝1，开关管临界实现零电压导通，即是在给开关管导通信号时，电流恰好为零，环流功率也为零。

图3(b)中所有开关管实现零电压导通的条件为：i_L(t₀)≤0，i_L(t₁)≥0。由图3(b)的工作波形以及电感电流在一个周期内的平均值为零，可计算出i_L(t₀)和i_L(t₁)为：

结合式(3)、(4)可得到正向传输功率工况B所有开关管实现零电压导通的条件为：

当k<1时，变换器传输功率需要大于一定值，开关管才能实现零电压导通，例如，图4(a)为k＝0.7时，正向传输功率A和B两种工况的传输功率范围；当传输功率小于图中的P_min时，开关管不能实现零电压导通。由于半桥三电平双向DC-DC变换器的结构中有一个中频变压器，总可以通过调整变压器的变比使两侧的电压幅值匹配，即k＝1。k＝1时，正向传输功率A和B两种工况的传输功率范围如图4(b)所示，当D₁取(5)式中的等号，即变换器中的所有开关管实现临界零电压导通，同时环流功率为零。但是当时，变换器传输功率只是图中的P_max，当负载功率大于图中的P_max时，变换器传输功率的过程中必然存在环流功率。

下面分析当负载功率大于图中的P_max时，怎么通过协调控制D₁和满足负载所需的功率，同时实现环流功率最小。

正向传输功率工况B传输功率的表达式为：

其中P_N为k＝1时，变换器所能传输的最大功率：

工况B环流功率的表达式为：

由(6)式可以得到传输功率一定时，D₁和之间的关系式为：

将(8)式代入(7)式，并对(7)式中的D₁求偏导，令偏导等于零，求解使环流功率最小的D₁和之间的关系式为：

反向传输功率的分析步骤与上述相同，在整个传输功率范围内，使环流功率最小的D₁与的关系式总结在表1中。

表1 D₁关于的关系式

与现有技术相比，本发明控制方法的优势在于：通过在一、二次侧桥臂中点电压的正负电平之间加入一段零电平，减小环流功率；通过协调控制移相比和零电平的作用时间使输入与输出侧之间的环流功率最小，从而减少变换器损耗，提高变换器的整体效率。同时，在整个传输功率范围内，电路中的所有开关管都能够实现零电压导通，有效减少了功率器件的开关损耗。

附图说明

图1是隔离型双向半桥三电平DC-DC变换器的拓扑结构。

图2是传统移相控制的工作波形图。

图3(a)是工况A：移相比小于零电平1-D₁时变换器的工作波形。

图3(b)是工况B：移相比大于零电平1-D₁时变换器的工作波形。

图4(a)是k＝0.7时，工况A和B的传输功率范围。

图4(b)是k＝1时，工况A和B的传输功率范围。

图5是环流功率最小控制方法的实施框图。

具体实施方式

根据发明内容部分提供的控制方法，表1提供了在不同功率范围内，实现环流功率最小控制的D₁关于的关系式。控制器实现本发明提出的优化控制方法的具体实施框图如图5所示。

控制器包含电压控制模块、D₁计算模块和开关信号产生模块，这实际上是在由电压控制模块和开关信号产生模块构成的现有控制器中增加了一个D₁计算模块。首先，电压控制模块通过对负载侧电压(V₂)和参考电压(V_2ref)的误差进行反馈控制，得到移相比然后，根据表1计算对应的D₁；最后，调制模块根据D₁、两个控制量产生相应的开关信号，控制主电路中开关器件的通断。

Claims (1)

1.一种双向半桥三电平DC-DC变换器环流功率最小的优化控制方法，控制器在双向半桥三电平DC-DC变换器每个桥臂的中点电压输出正、负和零三个电平，变换器的传输功率受零电平时间1-D₁和一、二次侧中点电压之间的移相比影响，通过协调控制零电平作用时间1-D₁和移相比在满足负载所需功率

的前提下，实现环流功率最小的优化控制，包含如下步骤：

a)、控制器的电压控制模块通过对负载侧电压(V₂)和参考电压(V_2ref)的误差进行反馈控制，得到移相比

b)、读入a)结果，根据如下规则得到两侧桥臂中点电压的占空比D₁的值：

当的范围在时，D₁取：

当的范围在时，D₁取：

当的范围在时，D₁取：

当的范围在时，D₁取：

c)、将步骤a)、b)得到的和D₁输入开关信号产生模块，产生相应的开关信号，控制主电路中开关器件的通断。