CN108900085B - 软开关变换器参数优化方法和软开关变换电路 - Google Patents

软开关变换器参数优化方法和软开关变换电路 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种软开关变换器参数优化方法和软开关变换电路，该方法包括：获取待测电感值；根据变换器数据，求解基于变换器数据、待测电感值和对应的电感电流值确定的一元二次方程；当求得的解满足预设的效率最优条件时，则根据待测电感值和对应的电感电流值对软开关变换器进行参数优化配置；当求得的解不满足效率最优条件时，则更新待测电感值，并返回根据预设的变换器数据和待测电感值计算得到对应的电感电流值的步骤。软开关变换器在传输相同功率时有最小的导通损耗和关断损耗，能获得最高的能量变换效率，能量变换效率高。

Description

软开关变换器参数优化方法和软开关变换电路
技术领域
本申请涉及电气自动化设备技术领域，特别是涉及一种软开关变换器参数优化方法和软开关变换电路。
背景技术
随着能源危机日益加剧，对更高效率、更高功率密度且宽输入输出范围的直流电源的需求越来越大。在小电流高频场合中，开关管开通和关断损耗构成了电路损耗的绝大部分，减小这部分损耗对进一步提高开关频率，提高功率密度具有重要意义。
传统的开关变换器控制方法是对变换器中的开关管进行硬开通控制，在开通过程中电压电流均不为零，产生很大的开通损耗，传统的开关变换器控制方法存在能量变换效率低的缺点。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种能量变换效率高的软开关变换器参数优化方法和软开关变换电路。
一种软开关变换器参数优化方法，软开关变换器包括电感、第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、输入电容和输出电容，所述第一功率管和所述第二功率管组成第一半桥，所述第三功率管和所述第四功率管组成第二半桥，所述第一半桥和所述输入电容并联作为所述软开关变换器的输入端，所述第二半桥与所述输出电容并联作为所述软开关变换器的输出端，所述第一半桥的中点通过所述电感与所述第二半桥的中点连接；所述的方法包括：
获取待测电感值；
根据预设的变换器数据和所述待测电感值计算得到对应的电感电流值；
根据所述变换器数据，求解基于所述变换器数据、所述待测电感值和对应的电感电流值确定的一元二次方程；所述一元二次方程表征输出功率与调节参量的函数关系，所述调节参量为第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比；
当求得的解满足预设的效率最优条件时，则根据所述待测电感值和对应的电感电流值对软开关变换器进行参数优化配置；所述效率最优条件表征软开关变换器传输相同功率有最小的导通损耗和关断损耗时所对应的调节参量满足的条件；
当求得的解不满足所述效率最优条件时，则更新所述待测电感值，并返回所述根据预设的变换器数据和所述待测电感值计算得到对应的电感电流值的步骤。
一种软开关变换电路，包括软开关变换器和控制器，所述软开关变换器包括电感、第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、输入电容和输出电容，所述第一功率管和所述第二功率管组成第一半桥，所述第三功率管和所述第四功率管组成第二半桥，所述第一半桥和所述输入电容并联作为所述软开关变换器的输入端，所述第二半桥与所述输出电容并联作为所述软开关变换器的输出端，所述第一半桥的中点通过所述电感与所述第二半桥的中点连接；所述控制器连接所述第一功率管、所述第二功率管、所述第三功率管和所述第四功率管，所述控制器通过上述方法对所述软开关变换器进行参数优化配置。
上述软开关变换器参数优化方法和软开关变换电路，根据给定的变换器数据求解不同电感值和电感电流值时对应的输出功率与调节参量的一元二次方程，在求得的解满足软开关变换器传输相同功率有最小的导通损耗和关断损耗时，利用对应的电感值和电感电流值对软开关变换器进行参数优化配置，使得软开关变换器在传输相同功率时有最小的导通损耗和关断损耗，能在实现软开关基础上获得最高的能量变换效率，能量变换效率高，而且还能够减小电感值，实现更小的磁原件的体积，提高功率密度。
附图说明
图1为一实施例中软开关变换器参数优化方法的流程图；
图2为一实施例中软开关变换器的电路拓扑图；
图3为另一实施例中软开关变换器参数优化方法的流程图；
图4为一实施例中降压模式下电感的电流波形图；
图5为一实施例中升压模式下电感的电流波形图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，提供了一种软开关变换器参数优化方法，适用于对面向新能源与储能应用的软开关变换器进行参数优化。如图1和图2所示，软开关变换器包括电感L、第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4、输入电容C1和输出电容C2，第一功率管S1和第二功率管S2组成第一半桥，第三功率管S3和第四功率管S4组成第二半桥，第一半桥和输入电容C1并联作为软开关变换器的输入端，第二半桥与输出电容C2并联作为软开关变换器的输出端，第一半桥的中点A通过电感L与第二半桥的中点B连接。第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4具体可采用MOS管或三极管。该方法包括以下步骤：
步骤S120：获取待测电感值。待测电感值为软开关变换器中待配置的电感L的取值，具体可以是预先设置电感取值范围，依次选择电感取值范围内的电感值进行后续计算，得到满足条件的电感值对软开关变换器进行参数优化；也可以是设置一个电感值或者随机选择一个电感值进行后续计算，当选定的电感值不符合条件时增大或减小电感值进行计算，直至得到符合条件的电感值对软开关变换器进行参数优化。
步骤S130：根据预设的变换器数据和待测电感值计算得到对应的电感电流值。
变换器数据具体包括软开关变换器的元器件参数和工作参数，其中，元器件参数可包括功率管的工作周期、寄生电感等，工作参数可包括输入电压范围、输出电压范围和额定功率等。本实施例中，变换器数据包括输入电压范围、输出电压范围、额定功率、功率管的工作周期和寄生电感。具体地，如图2所示，软开关变换器的输入电压为V1，输入电流为I1，输出电压为V2，输出电流为I2。第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4的寄生电感分别为Coss1、Coss2、Coss3和Coss4。
在获取待检测电感值后，结合软开关变换器的变换器数据计算对应的电感电流值，用作后续构建输出功率与调节参量的一元二次方程。在一个实施例中，步骤S130包括：
其中，I0为电感电流值，L为待测电感值，N1为裕量，具体可取2，Coss为第一功率管S1至第四功率管S4的寄生电感，即寄生电感Coss1、Coss2、Coss3和Coss4之和，V1max为最大输入电压，可根据输入电压范围得到。
步骤S140：根据变换器数据，求解基于变换器数据、待测电感值和对应的电感电流值确定的一元二次方程。
其中，一元二次方程表征输出功率P与调节参量的函数关系，调节参量为第一功率管S1的触发脉冲超前第三功率管S3的触发脉冲移相角对应的占空比，在一个实施例中，一元二次方程为：
其中，P为输出功率，为调节参量，n取降压模式最小调压比nmin，降压模式调压比的范围可根据设置的输入电压范围和输出电压范围进行调试，具体地，降压模式最小调压比nmin可通过将最小输出电压除以最大输入电压得到。V1取最大输入电压V1max，Tp为功率管的工作周期，D2取第二功率管S2的触发脉冲占空比的最大值D2max，D2max可预先设置。I0为电感电流值，L为待测电感值。
在一个实施例中，步骤S140包括步骤142至步骤146。
步骤142：取输出功率P＝N2Pmax时，检测一元二次方程是否存在解。
其中，Pmax为最大功率，可根据额定功率和预设系数相乘得到，N2为裕量，可取1.1。将一元二次方程代入P＝N2Pmax，检测一元二次方程是否存在解，若是，则进行步骤144；若否，则进行步骤146。
步骤144：将得到的两个解中较小的解作为求得的解。当一元二次方程有解时，取两个解中较小的解作为求得的解进行后续处理。
步骤146：减小待测电感值的取值，并返回步骤S130。如果一元二次方程无解，则取更小的电感值，返回步骤S130重新进行计算。
步骤S150：当求得的解满足预设的效率最优条件时，则根据待测电感值和对应的电感电流值对软开关变换器进行参数优化配置。
效率最优条件表征软开关变换器传输相同功率有最小的导通损耗和关断损耗时所对应的调节参量满足的条件。如果求得的解满足效率最优条件，则根据对应的待测电感值和电感电流值对软开关变换器的电感L进行设置，实现对软开关变换器进行效率最优化的参数配置。在一个实施例中，效率最优条件包括：
其中，为求得的解，n取降压模式最小调压比nmin，V1取最大输入电压，Tp为功率管的工作周期，I0为电感电流值，L为待测电感值，D2max为第二功率管S2的触发脉冲占空比D2的最大值。
步骤S160：当求得的解不满足效率最优条件时，则更新待测电感值。
如果求得的解不满足效率最优条件，对待测电感值进行更新后返回步骤S130重新进行计算。根据求得的解与效率最优条件的大小关系不同，对待测电感值进行更新的方式也对应有所不同。在一个实施例中，步骤S160包括步骤162和步骤164。
步骤162：当大于1-D2max时，则减小待测电感值的取值，并返回步骤S130。
步骤164：当小于时，则增大待测电感值的取值，并返回步骤S130。
当求得的解不满足效率最优条件时，根据实际情况对电感值进行调整后重新计算，直至得到满足最后条件的解。
为便于更好地理解上述软开关变换器参数优化方法，下面结合具体实施例进行详细解释说明。
面向新能源与储能应用的软开关变换器基于效率最优化的参数优化方法，实现了对于给定的输入电压范围，输出电压范围，开关周期和额定功率，得到在软开关控制方法下使电路效率最高并实现零电压开通的电感值L和电流最小值-I0。如图3所示，电感值L与电感电流最小值-I0的设计步骤为：
步骤1.选取一个电感值L，进入步骤2；
步骤2.计算电感电流值其中N1为裕量，取2，Coss为MOSFET管S1～S4的寄生电感，V1max为最大输入电压，进入步骤3；
步骤3.由代入P＝N2Pmax，其中Pmax为最大功率，N2为裕量，取1.1，n＝降压模式最小调压比nmin，V1＝最大输入电压V1max，Tp为功率管的工作周期，D2＝MOSFET管S2触发脉冲的占空比的最大值D2max，电感值L、电感电流值I0为最新的结果，得到关于调节参量Dφ的一元二次方程，进入步骤4；
步骤4.判断方程是否有解；
若方程无解，进入步骤5；
若方程有解，进入步骤6；
步骤5.取更小的电感值L，进入步骤2；
步骤6.取两个解中较小的解Dφ1，进入步骤7；
步骤7.判断Dφ1是否小于等于1-D2max；
若方程的解大于1-D2max，进入步骤5；
若方程的解小于等于1-D2max，进入步骤8；
步骤8.判断Dφ1是否大于等于
若方程的解小于进入步骤9；
若方程的解大于等于进入步骤10；
步骤9.取更大的电感值L，进入步骤2；
步骤10.取最后得到的电感值L和电感电流值I0，设计结束。
上述实施例提供了基于效率最优的面向新能源与储能应用的软开关变换器基于效率最优化的参数设计方法，在传输相同功率时有最小的导通损耗和关断损耗，不仅能在实现软开关基础上获得最高的能量变换效率，还能够减小电感值，实现更小的磁原件的体积，提高功率密度。此外，为了零电压开通，电感电流的最低点-I0必须小于0，因此电感电流的波动比传统的硬开关电路大，这样的好处是电感值的数量级可以成倍的减小。由于采用较小的电感，从而实现低损耗，低成本，高开关频率，高功率密度。
上述软开关变换器参数优化方法，根据给定的变换器数据求解不同电感值和电感电流值时对应的输出功率与调节参量的一元二次方程，在求得的解满足软开关变换器传输相同功率有最小的导通损耗和关断损耗时，利用对应的电感值和电感电流值对软开关变换器进行参数优化配置，使得软开关变换器在传输相同功率时有最小的导通损耗和关断损耗，能在实现软开关基础上获得最高的能量变换效率，能量变换效率高，而且还能够减小电感值，实现更小的磁原件的体积，提高功率密度。
在一个实施例中，提供了一种软开关变换电路，包括软开关变换器和控制器，参照图1所示，软开关变换器包括电感L、第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4、输入电容C1和输出电容C2，第一功率管S1和第二功率管S2组成第一半桥，第三功率管S3和第四功率管S4组成第二半桥，第一半桥和输入电容C1并联作为软开关变换器的输入端，第二半桥与输出电容C2并联作为软开关变换器的输出端，第一半桥的中点A通过电感L与第二半桥的中点B连接。控制器连接第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3和第四功率管S4，控制器通过上述方法对软开关变换器进行参数优化配置。
具体地，第一功率管S1的第一端连接输入电容C1，第一功率管S1的第二端连接第二功率管S2的第一端，第一功率管S1的第二端连接输入电容C1，第一功率管S1和第二功率管S2的公共端A作为第一半桥Arm1的中点。第三功率管S3的第一端连接输出电容C2，第三功率管S3的第二端连接第四功率管S4的第一端，第四功率管S4的第二端连接输出电容C2，第三功率管S3和第四功率管S4的公共端B作为第二半桥Arm2的中点。第一半桥Arm1与第二半桥Arm2的接地点相连。第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3和第四功率管S4的具体类型并不唯一，本实施例中，第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3和第四功率管S4均为MOSFET管。
在一个实施例中，控制器通过调节调压比调节软开关变换器的输出电压，通过调节第二功率管的触发脉冲的占空比和调节参量调节软开关变换器的输出功率。
调压比n为第一功率管的触发脉冲与第三功率管的触发脉冲的占空比比值。具体地，通过调节第一功率管S1的触发脉冲与第三功率管S3的触发脉冲占空比比值n来调节输出电压，通过调节第二功率管S2的触发脉冲的占空比D2和第一功率管S1的触发脉冲超前第三功率管S3的触发脉冲移相角对应的占空比Dφ＝φ/2π来调节电路的输出功率的大小。
进一步地，在一个实施例中，控制器在电路工作在降压模式时，通过固定调节参量，改变第二功率管的触发脉冲的占空比调节软开关变换器的输出功率，并当第二功率管的触发脉冲的占空比达到最大值后，固定第二功率管的触发脉冲的占空比，改变调节参量调节软开关变换器的输出功率；控制器在电路工作在升压模式时，通过同时改变调节参量和第二功率管的触发脉冲的占空比调节软开关变换器的输出功率，并当第二功率管的触发脉冲的占空比达到第一功率管的触发脉冲的占空比最大值与调压比的比值后，固定第二功率管的触发脉冲的占空比，改变调节参量调节软开关变换器的输出功率。
具体地，调压比n＝输出电压为V2/输入电压，当调压比n小于等于1时，电路工作在降压模式，在功率较小时通过固定调节参量改变第二功率管S2的触发脉冲占空比D2来调节功率，并设置一个第二功率管S2的触发脉冲占空比D2的最大值D2max，使第二功率管S2的触发脉冲占空比D2达到最大值D2max后，固定第二功率管S2的触发脉冲占空比D2，只靠改变调节参量来调节功率。当调压比n大于1时，电路工作在升压模式，在功率较小时通过同时改变调节参量和第二功率管S2的触发脉冲占空比D2来调节功率，并设置一个第一功率管S1的触发脉冲的占空比D1的最大值D1max，使第二功率管S2的触发脉冲占空比D2达到D1max/n后，固定第二功率管S2的触发脉冲占空比D2，只靠改变调节参量来调节功率。图4所示为降压模式下电感L的电流波形图，图5所示为升压模式下电感L的电流波形图。
上述软开关变换电路，根据给定的变换器数据求解不同电感值和电感电流值时对应的输出功率与调节参量的一元二次方程，在求得的解满足软开关变换器传输相同功率有最小的导通损耗和关断损耗时，利用对应的电感值和电感电流值对软开关变换器进行参数优化配置，使得软开关变换器在传输相同功率时有最小的导通损耗和关断损耗，能在实现软开关基础上获得最高的能量变换效率，能量变换效率高，而且还能够减小电感值，实现更小的磁原件的体积，提高功率密度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种软开关变换器参数优化方法，其特征在于，软开关变换器包括电感、第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、输入电容和输出电容，所述第一功率管和所述第二功率管组成第一半桥，所述第三功率管和所述第四功率管组成第二半桥，所述第一半桥和所述输入电容并联作为所述软开关变换器的输入端，所述第二半桥与所述输出电容并联作为所述软开关变换器的输出端，所述第一半桥的中点通过所述电感与所述第二半桥的中点连接；所述的方法包括：
获取待测电感值；
根据预设的变换器数据和所述待测电感值计算得到对应的电感电流值；
根据所述变换器数据，求解基于所述变换器数据、所述待测电感值和对应的电感电流值确定的一元二次方程；所述一元二次方程表征输出功率与调节参量的函数关系，所述调节参量为第一功率管的触发脉冲超前第三功率管的触发脉冲移相角对应的占空比；
当求得的解满足预设的效率最优条件时，则根据所述待测电感值和对应的电感电流值对软开关变换器进行参数优化配置；所述效率最优条件表征软开关变换器传输相同功率有最小的导通损耗和关断损耗时所对应的调节参量满足的条件；
当求得的解不满足所述效率最优条件时，则更新所述待测电感值，并返回所述根据预设的变换器数据和所述待测电感值计算得到对应的电感电流值的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变换器数据包括输入电压范围、输出电压范围、额定功率、功率管的工作周期和寄生电感。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据预设的变换器数据和所述待测电感值计算得到对应的电感电流值，包括：
其中，I0为电感电流值，L为待测电感值，N1为裕量，Coss为第一功率管至第四功率管的寄生电感，V1max为最大输入电压。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一元二次方程为：
其中，P为输出功率，为调节参量，n取降压模式最小调压比nmin，V1取最大输入电压V1max，Tp为功率管的工作周期，D2取第二功率管的触发脉冲占空比的最大值D2max，I0为电感电流值，L为待测电感值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述变换器数据，求解基于所述变换器数据、所述待测电感值和对应的电感电流值确定的一元二次方程，包括：
取输出功率P＝N2Pmax时，检测所述一元二次方程是否存在解；其中，Pmax为最大功率，N2为裕量；
若是，则将得到的两个解中较小的解作为求得的解；
若否，则减小所述待测电感值的取值，并返回所述根据预设的变换器数据和所述待测电感值计算得到对应的电感电流值的步骤。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述效率最优条件包括：其中，为求得的解，n取降压模式最小调压比，V1取最大输入电压，Tp为功率管的工作周期，I0为电感电流值，L为待测电感值，D2max为第二功率管的触发脉冲占空比的最大值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述当求得的解不满足所述效率最优条件时，则更新所述待测电感值，并返回所述根据预设的变换器数据和所述待测电感值计算得到对应的电感电流值的步骤，包括：
当大于1-D2max时，则减小所述待测电感值的取值，并返回所述根据预设的变换器数据和所述待测电感值计算得到对应的电感电流值的步骤；
当小于时，则增大所述待测电感值的取值，并返回所述根据预设的变换器数据和所述待测电感值计算得到对应的电感电流值的步骤。
8.一种软开关变换电路，其特征在于，包括软开关变换器和控制器，所述软开关变换器包括电感、第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、输入电容和输出电容，所述第一功率管和所述第二功率管组成第一半桥，所述第三功率管和所述第四功率管组成第二半桥，所述第一半桥和所述输入电容并联作为所述软开关变换器的输入端，所述第二半桥与所述输出电容并联作为所述软开关变换器的输出端，所述第一半桥的中点通过所述电感与所述第二半桥的中点连接；所述控制器连接所述第一功率管、所述第二功率管、所述第三功率管和所述第四功率管，所述控制器通过权利要求1-7任意一项所述的方法对所述软开关变换器进行参数优化配置。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述控制器通过调节调压比调节所述软开关变换器的输出电压，通过调节所述第二功率管的触发脉冲的占空比和调节参量调节所述软开关变换器的输出功率，所述调压比为所述第一功率管的触发脉冲与所述第三功率管的触发脉冲的占空比比值。
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述控制器在电路工作在降压模式时，通过固定调节参量，改变所述第二功率管的触发脉冲的占空比调节所述软开关变换器的输出功率，并当所述第二功率管的触发脉冲的占空比达到最大值后，固定所述第二功率管的触发脉冲的占空比，改变调节参量调节所述软开关变换器的输出功率；所述控制器在电路工作在升压模式时，通过同时改变调节参量和所述第二功率管的触发脉冲的占空比调节所述软开关变换器的输出功率，并当所述第二功率管的触发脉冲的占空比达到所述第一功率管的触发脉冲的占空比最大值与调压比的比值后，固定所述第二功率管的触发脉冲的占空比，改变调节参量调节所述软开关变换器的输出功率。
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