CN107070239B - 一种基于频率调节的双有源桥dc/dc变换器全范围软开关控制方法 - Google Patents

一种基于频率调节的双有源桥dc/dc变换器全范围软开关控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于频率调节的双有源桥DC/DC变换器全范围软开关控制方法，其在传统双重移相控制的基础上加入了开关频率调节，拓展变换器的软开关工作范围，使变换器能够在全负载范围实现零电压开通，降低了变换器的开关损耗，从而提高双有源桥变换器的效率。本发明无需更改常规双有源桥电路结构，不增加传感器，节约成本；此外，本发明还增加了双有源桥电路的控制自由度，使控制更加灵活，可应用于高频隔离开关电源方向。

Description

一种基于频率调节的双有源桥DC/DC变换器全范围软开关控 制方法
技术领域
本发明属于DC/DC变换器控制技术领域，具体涉及一种基于频率调节的双有源桥DC/DC变换器全范围软开关控制方法。
背景技术
双有源桥DC-DC变换器能够实现电气隔离以及能量双向流动，具有高效率、低成本、高功率密度等特点，其电路结构如图1所示。近年来随着电动汽车，不间断电源，新能源发电等技术的发展，双有源桥变换器得到了越来越广泛的应用。
传统的双有源桥电路通常采用单移相控制(Single-Phase-shift，SPS)方式，这种方法控制简单，便于实现软开关，具有较高的传输效率。然而，该方法存在无功能量回流问题，在输入输出电压不匹配时，能量回流严重，并难以实现软开关，增加了变换器的损耗。
中国专利(CN201410117100)提出了一种串-并型双有源桥电路，该发明通过串-并形式克服双有源桥电路不能试用于电压变比较大的场合，降低了开关管的电压、电流应力，提高变换器的效率，然而该发明涉及的开关时序为传统的单移相控制，无法在电压、负载宽范围变化时实现软开关。
中国专利(CN201410795961)提出了一种基于双有源桥电路的双模式直流-直流变换器及其控制装置，该发明在传统双有源桥电路基础上加入继电器等辅助元件，使电路的拓扑结构可以通过继电器进行切换，功率较大时工作在双有源桥模式，轻载时工作在反激模式，拓宽了变换器的输出范围。但是，该发明加入的继电器体积较大，不利于功率集成，并且该发明仍然无法实现全范围软开关。
中国专利(CN201510406666)提出了一种移相控制双有源桥直流变换器交流相量分析法及建模方法，该方法将每个有源全桥电路等效为一个方波电压源，并通过傅里叶级数分解得到等效的正弦电压叠加，进而得到适用于多种移相控制方法的统一小信号模型。但该发明给出了统一的小信号模型，但并不涉及具体的开关时序及软开关范围。
中国专利(CN201511001369)提出了一种双向DC-DC变换器电流临界连续统一控制方法，该发明公开的控制方法通过控制变压器一次侧和二次侧的电压以及其两者之间的相位差，使变换器工作在变压器电流临界连续，减小变换器的环流与导通损耗。由于变压器电流临界连续，该方法能够减小开关器件的电流应力。然而，由于开关器件结电容的存在，临界连续的电流无法在死区时间内释放结电容存储的能量，开关过程中开关管电压应力较高，这同样会造成开关损耗，特别是在电压相对较高的应用场合，电压应力造成的开关损耗尤为明显。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于频率调节的双有源桥DC/DC变换器全范围软开关控制方法，其在传统双重移相控制基础上，增加开关频率调节，避开寄生电容造成的硬开关工作区，使变换器在全负载范围工作在软开关状态，实现宽范围能量传输，提高系统效率。
一种基于频率调节的双有源桥DC/DC变换器全范围软开关控制方法，包括如下步骤：
(1)设定变换器的输出电压U2以及基础开关频率fbase；
(2)通过检测变换器的输入电压U1，确定基础开关频率fbase下软开关工作区两个临界点B1和B2的移相占空比以及内移相占空比；
(3)根据功率传输特性计算两个临界点B1和B2对应的传输功率P1和P2；
(4)通过在软开关工作区内调节移相占空比和内移相占空比Dy以适应负载变化；对于基础开关频率fbase下无法实现软开关的负载范围，通过调节开关频率使和Dy固定在软开关工作区的临界点B2上；
(5)根据和Dy确定变换器中各开关管的开关时序并加以控制。
所述步骤(2)中通过以下公式计算临界点B1和B2的移相占空比以及内移相占空比：
其中：和Dy1分别为临界点B1的移相占空比和内移相占空比，和Dy2分别为临界点B2的移相占空比和内移相占空比；当U1≥nU2时，k＝nU2/U1；当U1＜nU2时，k＝U1/nU2；n为变换器中变压器原副边的匝比，Cds为变换器中开关管的结电容，L为变换器中的电感值，TDZ为变换器中开关管的死区时间。
所述步骤(3)中通过以下公式计算两个临界点B1和B2对应的传输功率P1和P2：
所述步骤(4)的具体实现方法如下：
当变换器的输出功率Po在负载范围Po<P1或Po>P2情况下，在ZVS(零电压开关)工作区内根据以下功率传输方程调节移相占空比和内移相占空比Dy；
当变换器的输出功率Po在负载范围P1≤Po≤P2情况下，使Dy＝Dy2，根据以下功率传输方程调节开关频率fs以适应输出功率Po的变化；
其中：Pbase和Po *分别为功率基值和功率标幺值。
优选地，在Dy以及fs的实际调节过程中通过对两个临界点的传输功率P1和P2适当加入滞回环节，以避免临界点附近频繁切换。
所述步骤(5)确定变换器中各开关管的开关时序，具体方法如下：
当原边为高压侧，能量从原边流向副边情况时能量从副边流向原边情况时S1与S2的开关相位互补，S3与S4的开关相位互补，Q1与Q2的开关相位互补，Q3与Q4的开关相位互补，占空比均为50％，Q1与Q4的开关相位一致，S1开通时刻超前S3开通时刻为DyTs/2，S1开通时刻滞后Q1开通时刻为
当副边为高压侧，能量从原边流向副边情况时能量从副边流向原边情况时S1与S2的开关相位互补，S3与S4的开关相位互补，Q1与Q2的开关相位互补，Q3与Q4的开关相位互补，占空比均为50％，S1与S4的开关相位一致，Q1开通时刻超前Q3开通时刻为DyTs/2，S1开通时刻超前Q1开通时刻为
其中：S1和S3为原边上管，S2和S4为对应S1和S3的原边下管，Q1和Q3为副边上管，Q2和Q4为对应Q1和Q3的副边下管，Ts为开关周期。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明扩大了变换器的软开关工作区，增大了变换器的功率传输范围，提高了变换器传输效率。
2.本发明提高了双有源桥变换器的控制自由度，扩展了双有源桥变换器的控制思路。
3.本发明无需修改双有源桥硬件电路，不在原有常规双有源桥电路结构中添加任何传感器，有利于减少系统成本。
附图说明
图1为双有源桥DC-DC变换器的电路结构示意图。
图2(a)为时双重移相控制的典型开关波形图。
图2(b)为时双重移相控制的典型开关波形图。
图3(a)为Po *与Dy功率传输特性的三维曲线图。
图3(b)为Po *与Dy功率传输特性的二维等高线图。
图4为软开关工作区示意图，其中阴影部分为软开关工作范围，粗体实线为软开关区中一种可行的功率调节曲线。
图5为全输出功率范围内Dy、fs三者的关系示意图。
图6(a)为本发明典型临界ZVS开通工作点P2＝1600W下的波形示意图。
图6(b)为本发明典型临界ZVS开通工作点P1＝1250W下的波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，双有源全桥DC-DC变换器包括高频变压器T、电感L、变压器两端的双有源全桥、两侧电容C1、C2以及电源U1、U2；该变换器为双向拓扑结构，原、副边可以互换。
在稳态工作时，两侧全桥的上下开关管互补导通，开关频率均为fs。变压器变比为n，定义k＝nU2/U1，输出功率为Po，原、副边全桥中点电压分别为uab、ucd，二者基波移相角为 为移相占空比，即移相角与π的比值；Dy为高压侧桥臂内移相占空比。功率正向传输时，Dy∈[0,1]，典型开关波形如图2(a)和图2(b)所示。
开关器件实现ZVS开通，需要在开关死区时间内完成结电容Cds放电，由于死区时间内电感电流近似不变，因此可以得到开关管临界ZVS开通时的电感电流临界值，其中原边开关管临界ZVS开通时电感电流边界为：
副边开关管临界ZVS开通时电感电流边界为：
上述双有源桥电路的全范围软开关频率控制方法，包括以下步骤：
(1)确定变换器的输出电压U2，基础开关频率fbase。
(2)测量变换器输入电压U1，根据输入电压U1、输出电压U2、基础开关频率fbase、临界电感电流计算基础开关频率下软开关状态Dy范围，如下：
(3)根据下式确定基础频率下软开关范围边界点移相占空比以及内移相占空比Dy1、Dy2：
(4)根据以下方程计算临界点对应的传输功率P1、P2；图3(a)和图3(b)给出了Po *与Dy的关系曲线，其中Po *为功率标幺值。
(5)当负载变化时，从软开关工作区内选择合适的Dy；对于基础开关频率fbase下无法实现软开关的负载范围，调节开关频率使Dy保持在软开关工作区内。
5.1对于Po<P1或Po>P2的负载范围，在ZVS工作区内根据以下功率传输方程任意选择Dy均可简单实现，ZVS工作区如图4所示。
5.2对于P1、P2之间的功率传输范围，无法在基础开关频率fbase下实现ZVS开通，这部分功率范围Dy保持工作点不变，通过提升开关频率实现输出功率从P2逐渐减小至P1，这时Dy转换为开关频率fs降至基础开关频率fbase，如图5所示。
5.3上述Dy、fs的切换在实际使用中可以适当加入滞回环节以避免临界点附近频繁切换。
由于双有源桥电路的对称性，变换器反向工作以及k>1的情况下，变换器具有同样的工作特性，该方法同样适用。
本实施例中系统稳态工作时，U1＝400V，U2＝240V，变压器变比n＝13/11，L＝40μH，此时k≈0.7，基础开关频率fbase＝100kHz。根据软开关范围判定公式计算临界软开关工作点及其输出功率：
若采用传统的双重移相控制，当输出功率P1<Po<P2时，开关器件结电容存储的能量无法在死区时间内完全释放，开通过程中开关管将承受很大的电压应力，同时开通瞬间结电容通过开关管进行放电，产生电流脉冲，造成电磁干扰，降低变换器的可靠性。
本发明方法具体实施过程如图5所示，当输出功率Po>P2时，采用传统双重移相控制即可；当输出功率P1<Po<P2时，维持在不变，输出功率从P2降至P1过程中，只调节开关频率fs，从基础开关频率100kHz逐渐提升至125kHz；当输出功率Po<P1时，同样采用传统双重移相控制即可；上述过程即可实现开关器件全负载范围ZVS开通。
图6(a)为传输功率为1600W时的工作波形图，图6(b)为传输功率为1250W时的工作波形图。实验结果表明频率调节过程中变换器一直处于软开关工作状态，故本发明拓宽了变换器的软开关工作范围，实现了轻载情况下能量的高效传输，证明了频率优化策略的正确性与可行性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于频率调节的双有源桥DC/DC变换器全范围软开关控制方法，包括如下步骤：
(1)设定变换器的输出电压U2以及基础开关频率fbase；
(2)根据检测变换器的输入电压U1，通过以下公式计算确定基础开关频率fbase下软开关工作区两个临界点B1和B2的移相占空比以及内移相占空比；
其中：和Dy1分别为临界点B1的移相占空比和内移相占空比，和Dy2分别为临界点B2的移相占空比和内移相占空比；当U1≥nU2时，k＝nU2/U1；当U1＜nU2时，k＝U1/nU2；n为变换器中变压器原副边的匝比，Cds为变换器中开关管的结电容，L为变换器中的电感值，TDZ为变换器中开关管的死区时间；
(3)根据功率传输特性计算两个临界点B1和B2对应的传输功率P1和P2；
(4)通过在软开关工作区内调节移相占空比和内移相占空比Dy以适应负载变化；对于基础开关频率fbase下无法实现软开关的负载范围，通过调节开关频率使和Dy固定在软开关工作区的临界点B2上；
(5)根据和Dy确定变换器中各开关管的开关时序并加以控制。
2.根据权利要求1所述的双有源桥DC/DC变换器全范围软开关控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下公式计算两个临界点B1和B2对应的传输功率P1和P2；
3.根据权利要求1所述的双有源桥DC/DC变换器全范围软开关控制方法，其特征在于：所述步骤(4)的具体实现方法如下：
当变换器的输出功率Po在负载范围Po<P1或Po>P2情况下，在ZVS工作区内根据以下功率传输方程调节移相占空比和内移相占空比Dy；
当变换器的输出功率Po在负载范围P1≤Po≤P2情况下，使Dy＝Dy2，根据以下功率传输方程调节开关频率fs以适应输出功率Po的变化；
其中：Pbase和Po *分别为功率基值和功率标幺值。
4.根据权利要求3所述的双有源桥DC/DC变换器全范围软开关控制方法，其特征在于：在Dy以及fs的实际调节过程中通过对两个临界点的传输功率P1和P2加入滞回环节，以避免临界点附近频繁切换。
5.根据权利要求1所述的双有源桥DC/DC变换器全范围软开关控制方法，其特征在于：所述步骤(5)确定变换器中各开关管的开关时序，具体方法如下：
当原边为高压侧，能量从原边流向副边情况时能量从副边流向原边情况时S1与S2的开关相位互补，S3与S4的开关相位互补，Q1与Q2的开关相位互补，Q3与Q4的开关相位互补，占空比均为50％，Q1与Q4的开关相位一致，S1开通时刻超前S3开通时刻为DyTs/2，S1开通时刻滞后Q1开通时刻为
当副边为高压侧，能量从原边流向副边情况时能量从副边流向原边情况时S1与S2的开关相位互补，S3与S4的开关相位互补，Q1与Q2的开关相位互补，Q3与Q4的开关相位互补，占空比均为50％，S1与S4的开关相位一致，Q1开通时刻超前Q3开通时刻为DyTs/2，S1开通时刻超前Q1开通时刻为
其中：S1和S3为原边上管，S2和S4为对应S1和S3的原边下管，Q1和Q3为副边上管，Q2和Q4为对应Q1和Q3的副边下管，Ts为开关周期。
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