CN110112919B - 一种双有源桥变换器磁元件偏置电流的抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直流变换技术，旨在提供一种双有源桥变换器磁元件偏置电流的抑制方法。该方法是在双有源桥变换器的控制电路中增设稳态电流控制器或瞬态电流控制器中的至少一种；其中，稳态电流控制器能将变压器电流平均值与0作差并由补偿器生成开关管驱动占空比补偿信号，以用于与原有50％驱动占空比相叠加生成最终PWM信号；瞬态电流控制器用于进行阈值比较、产生脉冲信号和逻辑运算，其产生的驱动信号能使变压器原边或副边桥臂电压提前翻转以抑制瞬间电流幅值。本发明能够同时抑制DAB变换器磁性元件中的稳态及瞬态偏置电流，减小偏置电流引起的开关和导通损耗，提高DAB变换器的可靠性；去除传统用来抑制偏置电流的隔直电容，显著减小DAB变换器体积。

Description

一种双有源桥变换器磁元件偏置电流的抑制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域中的直流变换技术，具体涉及一种双有源桥变换器磁元件偏置电流的抑制方法。
背景技术
双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)DC-DC变换器具有宽电压工作范围、能量自动双向流动、易实现软开关等优点，在储能、微网、电力电子变压器和V2G等场合具有较好的应用前景。然而，DAB由于控制时序、电路参数等不对称，在高频变压器及电感中会出现直流偏置电流。偏置电流会导致功率器件丢失软开关，增加开关和导通损耗，降低效率，过大的偏置电流还会导致磁性元件饱和，并最终烧毁电路。传统的偏置电流抑制方法是串接隔直电容，这会显著地增加变换器体积和成本。
发明内容
本发明要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提供一种双有源桥变换器磁元件偏置电流的抑制方法。该方法可同时抑制DAB中磁元件稳态及瞬态偏置电流，从而减小DAB变换器的体积和损耗，并提高其可靠性。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种双有源桥变换器磁元件偏置电流的抑制方法，是在双有源桥变换器的控制电路中增设稳态电流控制器或瞬态电流控制器中的至少一种；其中，
双有源桥变换器包括逆变电路、变压器、整流电路和输出电压控制器；
稳态电流控制器由原边稳态电流控制器和副边稳态电流控制器组成，其输入端经电流传感器分别接至变压器的原边与副边，能将变压器电流平均值与0作差并由补偿器生成开关管驱动占空比补偿信号，以用于与原有50％驱动占空比相叠加生成最终PWM信号；
瞬态电流控制器由比较器、单稳态触发器及逻辑门组成，其输入端经电流传感器接至变压器的原边或副边，用于进行阈值比较、产生脉冲信号和逻辑运算，其产生的驱动信号能使变压器原边或副边桥臂电压提前翻转以抑制瞬间电流幅值。
本发明中，该方法包括以下两部分内容中的至少一种：
(1)利用稳态电流控制器抑制稳态偏置电流：
利用原边稳态电流控制器和副边稳态电流控制器中的电流传感器同时采集变压器的电流，经开关周期平均得到平均值，然后与0作差；差值送入补偿器生成开关管驱动占空比补偿信号，该补偿信号与原有的50％驱动占空比相叠加，经PWM生成模块得到最终的PWM信号；其中，基于原边稳态电流控制器产生的信号为PWM/
Figure BDA0002048096150000021
用于驱动逆变电路中的开关管；基于副边稳态电流控制器产生的信号为PWM′/
Figure BDA0002048096150000022
用于驱动整流电路中的开关管；或者
(2)利用瞬态电流控制器抑制瞬态偏置电流：
利用瞬态电流控制器中的电流传感器采集变压器原边或副边中一侧的电流，并与设定的最大阈值和最小阈值比较；
当超过最大阈值时，产生脉冲信号pulse1，pulse1与PWM′进行逻辑或运算，生成驱动信号g′1；将pulse1经过非门，并与
Figure BDA0002048096150000023
进行逻辑与运算，生成与g′1互补的驱动信号
Figure BDA0002048096150000024
该控制能令变压器副边桥臂电压Vsec提前翻转，进而抑制电流继续上升；
当小于最小阈值时，产生脉冲信号pulse2，pulse2与PWM进行逻辑或运算，生成驱动信号g1；将pulse2经过非门，并与
Figure BDA0002048096150000025
进行逻辑与运算，生成与g1互补的驱动信号
Figure BDA0002048096150000026
该控制能令变压器原边桥臂电压Vpri提前翻转，进而抑制电流继续下降；
所述原有的50％驱动占空比是指在双有源桥电路中，逆变电路和整流电路开关管驱动波形的固有占空比均为50％；所述PWM、
Figure BDA0002048096150000027
分别指逆变电路由控制器产生的开关管的驱动信号及其互补信号；所述PWM′、
Figure BDA0002048096150000028
分别指整流电路由控制器产生的开关管的驱动信号及其互补信号。
本发明中，所述逆变电路或整流电路分别是全桥结构、半桥结构或三电平结构中的任意一种。
发明原理描述：
本发明在DAB变换器传统电压控制的基础上，增加了电流控制环节，可同时抑制稳态及瞬态偏置电流。其中，稳态偏置电流抑制技术首先利用电流传感器采集变压器电流，经开关周期平均得到其平均值，该平均值与0作差送入补偿器，生成对开关管驱动信号的调整信号，实现稳态偏置电流的闭环抑制。瞬态偏置电流抑制技术中，采集变压器电流，当其超过设定阈值时，通过逻辑门运算修正开关管驱动信号，并立即使变压器原副边的桥臂输出电压正负变为一致，减小电感电流变化速率，以此抑制瞬态的偏置电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明能够同时抑制DAB变换器磁性元件中的稳态及瞬态偏置电流，减小偏置电流引起的开关和导通损耗，提高DAB变换器的可靠性；
(2)本发明去除了传统用来抑制偏置电流的隔直电容，可显著减小DAB变换器体积；
(3)本发明利用硬件来限制瞬态电流的幅值，控制方法较为简单。
附图说明
图1：本发明应用场合之双有源桥变换器的电路结构；
图2：本发明的加入电流控制的一个实施例；
图3：双有源桥变换器的驱动及原副边桥臂电压典型波形图；
图4：稳态偏置电流存在及其被消除后的波形图；
图5：本发明的稳态偏置电流抑制示例；
图6：本发明的瞬态偏置电流抑制示例；
图7：瞬态偏置电流抑制中开关管驱动波形发生示意图；
图8：正向瞬态偏置电流抑制波形图；
图9：负向瞬态偏置电流抑制波形图；
图10：逆变电路的结构示例。
附图标记或代号：10逆变电路、20变压器、30整流电路、40输出电压控制器、50稳态电流控制器、501原边稳态电流控制器、502副边稳态电流控制器、60瞬态电流控制器、101全桥逆变电路、102半桥逆变电路、103三电平电路、Lr变压器漏感、Vo变换器输出电压、Pi、Ni输入直流电压端、Po、No输出直流电压端、g1～gN/
Figure BDA0002048096150000031
原边桥臂驱动信号、g′1～g′N/
Figure BDA0002048096150000032
副边桥臂驱动信号、PWM/
Figure BDA0002048096150000033
信号处理器原边信号、PWM′/
Figure BDA0002048096150000034
信号处理器副边信号、i变压器原边电流、
Figure BDA0002048096150000035
变压器原边电流平均值、i′变压器副边电流、d移相角、Vpri原边桥臂输出电压、Vsec副边桥臂输出电压、imax设定电流最大值、imin设定电流最小值。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1展示了本发明应用场合之一双有源桥变换器的电路结构，其包含逆变电路10、变压器20、整流电路30、输出电压控制器40，输入侧直流电压端子Pi，Ni，用于输入直流电压；输出侧直流电压端子Po，No，用于输出直流电压。
图2展示了本发明的加入电流控制的一个实施例，其增加了稳态电流控制器50和瞬态电压控制器60，其中稳态电流控制器包含：原边稳态电流控制器501，副边稳态电流控制器502。
图3展示了双有源桥变换器的驱动及原副边桥臂电压典型波形图。
图4展示了当电路存在稳态偏置电流及其被消除后的波形。虚线波形为存在稳态偏置电流，实线波形为稳态偏置电流被消除。
图5示例性展示了稳态电流控制器的工作原理图。以原边稳态电流控制器501为例，利用电流传感器采集变压器电流，经开关周期平均得到其平均值，然后与0作差，差值送入补偿器生成开关管驱动占空比补偿信号，该补偿信号与原有的50％驱动占空比相叠加，经处理器共同生成最终的PWM信号；所述的稳态偏置电流抑制需在变压器原、副边同时实施，原边产生的信号为PWM/
Figure BDA0002048096150000041
副边产生的信号为PWM′/
Figure BDA0002048096150000042
图6示例性展示了瞬态电流控制器的工作原理图。其由比较器、单稳态触发器及逻辑门组成。利用电流传感器采集变压器电流，并与设定最大阈值和最小阈值比较。当超过最大阈值时，产生脉冲信号pulse1，pulse1与PWM′进行逻辑或运算，生成驱动信号g′1；将pulse1经过非门，并与
Figure BDA0002048096150000043
进行逻辑与运算，生成与g′1互补的驱动信号
Figure BDA0002048096150000044
该控制能令变压器副边桥臂电压Vsec提前翻转，进而抑制电流继续上升。当小于最小阈值时，产生脉冲信号pulse2，pulse2与PWM进行逻辑或运算，生成驱动信号g1；将pulse2经过非门，并与
Figure BDA0002048096150000045
进行逻辑与运算，生成与g1互补的驱动信号
Figure BDA0002048096150000046
该控制能令变压器原边桥臂电压Vpri提前翻转，进而抑制电流继续下降。所述的瞬态偏置电流抑制仅需选取变压器原、副边一侧进行即可。
图7以g′1信号的产生为例，阐释了瞬态电流控制器中，驱动波形的具体发生过程。当电流超过最大阈值时，单稳态触发器被触发，并输出一个具有固定宽度的脉冲pulse1，此脉冲与原有控制信号PWM′进行逻辑或运算产生新的驱动信号g′1。与此同时，pulse1经过非门并与
Figure BDA0002048096150000047
进行逻辑与运算，以获得与g′1互补的
Figure BDA0002048096150000048
驱动信号。
图8展示了正向瞬态电流抑制的波形图。原、副边方波移相角瞬时增大导致电感电流i出现瞬态正向尖峰。本发明中，只需修正副边开关管驱动信号g′1/
Figure BDA0002048096150000049
令变压器副边桥臂输出电压Vsec电压提前翻转，即可限制瞬间电流的幅值。
图9展示了负向瞬态电流抑制的波形图。原、副边方波移相角瞬时减小导致电感电流i出现瞬态负向尖峰。本发明中，只需修正原边开关管驱动信号g1/
Figure BDA00020480961500000410
令变压器原边桥臂输出电压Vpri电压提前翻转，即可限制瞬间电流的幅值。
图10展示了逆变电路10及整流电路30的部分可能的结构，包括全桥结构101，半桥结构102和三电平结构103。
虽然通过优选实施例进一步详细地说明并描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的实例，本领域技术人员可以从中得出其他变形，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种双有源桥变换器磁元件偏置电流的抑制方法，其特征在于，是在双有源桥变换器的控制电路中增设稳态电流控制器或瞬态电流控制器中的至少一种；其中，
双有源桥变换器包括逆变电路、变压器、整流电路和输出电压控制器；
稳态电流控制器由原边稳态电流控制器和副边稳态电流控制器组成，其输入端经电流传感器分别接至变压器的原边与副边，能将变压器原边及副边各自的电流平均值与0作差并由补偿器生成开关管驱动占空比补偿信号，以用于与原有50％驱动占空比相叠加生成最终PWM信号；
瞬态电流控制器由比较器、单稳态触发器及逻辑门组成，其输入端经电流传感器接至变压器的原边或副边，用于进行阈值比较、产生脉冲信号和逻辑运算，其产生的驱动信号能使变压器原边或副边桥臂电压提前翻转以抑制瞬间电流幅值；所述逻辑门用于与开关管的驱动信号及其互补信号进行逻辑与运算，实现对开关管驱动信号的修正；
该方法包括以下两部分内容中的至少一种：
(1)利用稳态电流控制器抑制稳态偏置电流：
利用原边稳态电流控制器和副边稳态电流控制器中的电流传感器，同时采集变压器原边和副边各自的电流；经开关周期平均得到平均值，然后与0作差；差值送入补偿器生成开关管驱动占空比补偿信号，该补偿信号与原有的50％驱动占空比相叠加，经PWM生成模块得到最终的PWM信号；其中，基于原边稳态电流控制器产生的信号为PWM/
Figure FDA0002682113100000011
用于驱动逆变电路中的开关管；基于副边稳态电流控制器产生的信号为PWM′/
Figure FDA0002682113100000012
用于驱动整流电路中的开关管；或者
(2)利用瞬态电流控制器抑制瞬态偏置电流：
利用瞬态电流控制器中的电流传感器采集变压器原边或副边中一侧的电流，并与设定的最大阈值和最小阈值比较；
当超过最大阈值时，产生脉冲信号pulse1，pulse1与PWM′进行逻辑或运算，生成驱动信号g′1；将pulse1经过非门，并与
Figure FDA0002682113100000013
进行逻辑与运算，生成与g′1互补的驱动信号
Figure FDA0002682113100000014
该控制能令变压器副边桥臂电压Vsec提前翻转，进而抑制电流继续上升；
当小于最小阈值时，产生脉冲信号pulse2，pulse2与PWM进行逻辑或运算，生成驱动信号g1；将pulse2经过非门，并与
Figure FDA0002682113100000015
进行逻辑与运算，生成与g1互补的驱动信号
Figure FDA0002682113100000016
该控制能令变压器原边桥臂电压Vpri提前翻转，进而抑制电流继续下降；
所述原有的50％驱动占空比是指在双有源桥电路中，逆变电路和整流电路开关管驱动波形的固有占空比均为50％；所述PWM、
Figure FDA0002682113100000017
分别指逆变电路由原边稳态电流控制器产生的开关管的驱动信号及其互补信号；所述PWM′、
Figure FDA0002682113100000018
分别指整流电路由副边稳态电流控制器产生的开关管的驱动信号及其互补信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述逆变电路和整流电路分别是全桥结构、半桥结构或三电平结构中的任意一种。
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GR01 Patent grant
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