CN110535350A - 一种减小双有源全桥dc-dc变换器环流损耗的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种减小双有源全桥DC‑DC变换器环流损耗的方法，通过采集双有源全桥DC‑DC变换器的输入输出电压和电流，计算得到双有源全桥DC‑DC变换器中变压器两侧桥式功率变换单元之间的移相角然后根据移相角的值，判断采用传统移相控制、双重移相控制或是三重移相控制方式。本发明优化了双有源全桥DC‑DC变换器在全功率范围内两侧直流源的功率环流特性，可以使得变换器在全负载范围内实现所有开关管的软开关，极大降低了电感电流的有效值和峰值，进而能够有效减小由于环流功率而引起的变换器损耗，提升变换器的功率传输效率，拓宽了双有源全桥DC‑DC变换器高效工作时的负载范围。
Description
技术领域
本发明属于航空电力变换技术领域，涉及一种减小双有源全桥DC-DC变换器环流损耗的方法。
背景技术
伴随着多电、全电飞机的发展，飞机电力系统向着大功率、高可靠、高效率等方向不断发展。作为航空电力系统的重要组成部分，二次电源实现了机上各种电气负载的电力供应。多电飞机中的多种用电负荷对于电能的要求日渐增多，机上大容量的用电设备要求二次电源具有足够高功率密度、高效率和高可靠性。
270V高压直流电源系统，是继低压直流和恒频交流电源后发展的一种新型飞机电源系统，已成为四代机和未来五代机的主要电源体制。伴随着航空电源的发展，机上对于28V低压电能的需求也越来越大。因此，高可靠性、高效率的270V-28V DC-DC功率变换器，作为不同电压等级直流电之间进行能量交换的装置，由于其具有功率传输灵活、响应速度快等特点，已成为机上大容量低压用电设备的必备，对保障飞机关键负载不间断供电，实现飞机安全飞行和任务完成具有重要意义。
由于270V-28V DC-DC功率变换器的输入输出电压变比较大，考虑到变换器的电磁兼容性，应采用具有隔离型的DC-DC变换器拓扑结构来实现不同电压等级之间的能量传输。双有源全桥DC-DC变换器(DAB)作为一种高效率的直流变换器，具有功率密度高、宽输入输出电压范围、结构对称以及开关器件的电压电流应力小等优势，被应用于各类中大功率场合。双有源全桥DC-DC变换器具有三个可控变量，根据这三个变量的组合情况，一般有三类控制方法：传统移相控制、双重移相控制和三重移相控制。
传统移相控制是一种最简单的控制方式，此时变压器两侧的两个桥式功率变换单元均是满占空比，通过控制两个桥式功率变换单元之间的移相角来调节传输功率的大小和方向。该控制方式操作简单，在重载运行下容易实现软开关，有利于减小开关损耗，提高变换器的开关频率和整机效率；但当输入输出电压不匹配，变换器在轻载运行时难以实现软开关，变换器中环路电流较高，存在循环能量，环流损耗增加，变换器效率降低。
在传统移相控制的基础上，加入高压侧或低压侧桥式功率变换单元的桥内移相角，从而形成双重移相控制方式。相比于传统移相控制，此时增加了一个自由度，因此增加了一个优化目标，这样可以有效减小电感电流有效值、减小变换器回流功率。但该控制方式不能在全负载范围内实现软开关，导致环流损耗增加，且控制系统不易实现，存在不对称性，系统动态性能差。
三重移相控制为同时控制三个可控变量，除控制两个桥式功率变换单元之间的移相角来调节传输功率的大小和方向外，另外还有两个可控变量，可实现两个优化目标。该控制方式可以更好的实现降低变换器的电感电流峰值、有效值和环流功率，对提高系统效率具有明显的优势。但是该控制方式也不能实现全负载范围的软开关，导致环流损耗增加，且该控制方式下变换器的工作模式较多，相对应的控制系统较为复杂。
为了提高变换器在轻载下的工作效率，也有对双有源全桥DC-DC变换器的电路拓扑进行改进的方法。譬如在变换器中加入辅助电路或利用励磁电感电流来帮助滞后桥臂在轻载下实现软开关。但是这种方法在变换器重载时，辅助电路的存在反而会降低变换器的效率，导致环流损耗增加，使得变换器不能在全负载范围内实现高效率工作。
综上所述，现有的双有源全桥DC-DC变换器控制方法均存在环流损耗问题，导致其不能在全负载范围内实现高效率工作。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，针对双有源全桥DC-DC变换器存在环流功率较高、软开关范围受限制等情况，导致双有源全桥DC-DC变换器存在环流损耗问题，本发明提出一种能在双有源全桥DC-DC变换器全负载范围内有效减小环流损耗的方法。该方法结合传统移相控制、双重移相控制及三重移相控制的各自优势，使双有源全桥DC-DC变换器在不同负载情况下可以平滑的切换到最优的控制方式，进而使得变换器在全负载范围内的效率最高。
本发明的技术方案为：
所述一种减小双有源全桥DC-DC变换器环流损耗的方法，其特征在于：采集双有源全桥DC-DC变换器的输入输出电压和电流，计算得到双有源全桥DC-DC变换器中变压器两侧桥式功率变换单元之间的移相角
根据移相角采用以下判断规则选择相应的变换器移相控制方式：
当时，变换器采用三重移相控制方式，此时变换器临界实现零电压软开关；时，采用双重移相控制方式，此时变换器在实现零电压软开关的同时使得电感电流最小；时，采用传统移相控制方式；
其中为变压器电压传输比；U1为变压器高压侧直流电压；U2为变压器低压侧直流电压；K为变压器原副边匝数比。
进一步的优选方案，所述一种减小双有源全桥DC-DC变换器环流损耗的方法，其特征在于：通过对D1、D2和三个可控变量的不同组合，实现传统移相控制、双重移相控制和三重移相控制方式；所述D1为变压器高压侧交流方波电压UAB的占空比，D2为变压器低压侧交流方波电压UCD的占空比，为UAB和UCD的基波分量之间的移相角相对于π的占空比。
有益效果
本发明的有益效果在于：
本发明优化了双有源全桥DC-DC变换器在全功率范围内两侧直流源的功率环流特性，可以使得变换器在全负载范围内实现所有开关管的软开关，极大降低了电感电流的有效值和峰值，进而能够有效减小由于环流功率而引起的变换器损耗，提升变换器的功率传输效率，拓宽了双有源全桥DC-DC变换器高效工作时的负载范围。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：双有源全桥DC-DC变换器主功率电路拓扑图；
图2：双有源全桥DC-DC变换器控制参数示意图；
图3：双有源全桥DC-DC变换器复合控制方法示意图。
具体实施方式
双有源全桥DC-DC变换器的主功率电路，是直流变换器的核心组成部分，主要实现变换器的功率传输。将机上270V高压直流电源经变换电路转换为交流电，再通过变压器降压与后级变换电路转换后，输出符合性能要求的28V直流电，以保证机上28V直流用电设备的供电需求。
双有源全桥DC-DC变换器的主功率电路，由两个桥式功率变换单元、电感、高频隔离变压器和支撑电容等组成。其中，两个桥式功率变换单元中共有8个开关单元，每个开关单元由开关管、反并联二极管及并联的谐振电容组成；电感通过与开关管并联的电容谐振，实现开关管的零电压开关；高频隔离变压器主要进行电压变化和实现输入输出电气隔离的功能；支撑电容的主要功能是稳定输入输出电压，滤出电压中的纹波成分。
本发明针对双有源全桥DC-DC变换器存在的环流损耗较高的问题，综合利用传统移相控制、双重移相控制及三重移相控制方式的各自优势，在变换器全负载范围内提出一种复合控制方法。该方法拓宽了变换器的软开关范围，降低了电感电流的有效值和峰值，减小了变换器的环路损耗，在不增加辅助电路的情况下，使得变换器在全负载范围内的工作效率显著提升。
本发明所提出的复合控制方法，在变换器全负载范围内工作时的基本思路为：
综合利用传统移相控制、双重移相控制及三重移相控制方式的各自优势，使双有源全桥DC-DC变换器在不同负载大小下平滑的切换到最优的控制方式。当变换器轻载时，三重移相控制在宽输入输出电压范围内的电感电流有效值和峰值最低、效率较高。因此在变换器轻载下，采用三重移相控制方式。当变换器负载增加后，三重移相控制方式下变换器的电感电流有效值会陡增，因此转换为效率更高的双重移相控制方式。当变换器负载进一步增加时，双重移相控制方式下变换器的功率传输能力不足，且变换器的电感电流有效值较高，因此转换为控制方法较为简单的传统移相控制方式。
本发明所提出的复合控制方法中，所涉及的参数、变量有：
U1——高压侧直流电压；
U2——低压侧直流电压；
K——变压器原副边匝数比；
——变压器电压传输比；
——两个桥式功率变换单元之间的移相角；
α1——高压侧桥式功率变换单元的桥内移相角；
α2——低压侧桥式功率变换单元的桥内移相角；
基于上述思路，本发明所提出的复合控制方法，在变换器全负载范围内工作时的具体技术方案为：
采集变换器的输入输出电压和电流，计算得到两个桥式功率变换单元之间的移相角根据移相角的值，判断采用何种控制方式。
通过控制高压侧桥式功率变换单元的桥内移相角α1的值，使得变换器在三种控制方式之间切换。轻载时，采用三重移相控制方式，此时两个桥式功率变换单元的桥内移相角分别为：
当α1＝π(1-k)即时，变换器由三重移相控制方式转换为双重移相控制方式。变换器在双重移相控制方式下，两个桥式功率变换单元的桥内移相角为：
随着变换器负载继续增加，高压侧桥式功率变换单元的桥内移相角α1在时减小为零，此时变换器所传输的功率最大，变换器将由双重移相控制方式自然切换到传统移相控制方式。因此可以得到，和为变换器在三种控制方式之间进行切换的转换点。即：时，变换器采用三重移相控制方式，此时变换器临界实现零电压软开关；时，采用双重移相控制方式，此时变换器在实现零电压软开关的同时使得电感电流最小；时，采用传统移相控制方式。
下面结合附图1～3详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
附图1描述了双有源全桥DC-DC变换器的主功率电路拓扑图。其中，U1为高压侧直流电压，U2为低压侧直流电压；Cf1为高压侧支撑电容，Cf2为低压侧支撑电容；Q1～Q8为变换器的八个开关单元中的功率开关管，其中Q1～Q4组成高压侧桥式功率变换单元，Q5～Q8组成低压侧桥式功率变换单元；L为串联电感和变压器漏感之和；T为高频隔离变压器，K为变压器的原副边匝数比；UAB和UCD分别为变压器高压侧和低压侧的交流方波电压。
变换器将机上270V高压直流电源经高压侧桥式功率变换单元转换为交流电，再通过高频隔离变压器降压与低压侧桥式功率变换单元转换后，输出符合性能要求的28V直流电，以保证机上28V直流用电设备的供电需求。
附图2描述了双有源全桥DC-DC变换器的控制参数示意图。其中，UAB和UCD分别为变压器高压侧和低压侧的交流方波电压，D1、D2和为双有源全桥DC-DC变换器的三个控制参数。其中，D1为UAB的占空比，D2为UCD的占空比，为UAB和UCD的基波分量之间的移相角相对于π的占空比，TS为开关管的开关频率。通过对D1、D2和这三个可控变量的不同组合，可以得到本发明所提出的复合控制方法中涉及的传统移相控制、双重移相控制和三重移相控制方式。
附图3描述了本发明所提出的双有源全桥DC-DC变换器的复合控制方法示意图。其中，和为变换器在三种控制方式之间进行切换的转换点。即就是，当时，变换器采用三重移相控制方式，此时变换器临界实现零电压软开关；时，采用双重移相控制方式，此时变换器在实现零电压软开关的同时使得电感电流最小；时，采用传统移相控制方式。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (2)
1.一种减小双有源全桥DC-DC变换器环流损耗的方法，其特征在于：采集双有源全桥DC-DC变换器的输入输出电压和电流，计算得到双有源全桥DC-DC变换器中变压器两侧桥式功率变换单元之间的移相角
根据移相角采用以下判断规则选择相应的变换器移相控制方式：
当时，变换器采用三重移相控制方式，此时变换器临界实现零电压软开关；时，采用双重移相控制方式，此时变换器在实现零电压软开关的同时使得电感电流最小；时，采用传统移相控制方式；
其中为变压器电压传输比；U1为变压器高压侧直流电压；U2为变压器低压侧直流电压；K为变压器原副边匝数比。
2.根据权利要求1所述一种减小双有源全桥DC-DC变换器环流损耗的方法，其特征在于：通过对D1、D2和三个可控变量的不同组合，实现传统移相控制、双重移相控制和三重移相控制方式；所述D1为变压器高压侧交流方波电压UAB的占空比，D2为变压器低压侧交流方波电压UCD的占空比，为UAB和UCD的基波分量之间的移相角相对于π的占空比。
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