CN110557029B - 双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法 - Google Patents

双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，所述多重移相控制，是通过控制输入输出侧全桥变换器内桥臂与桥臂间的开关相位差，以及两个全桥变换器之间的开关相位差来控制传输功率的大小和方向；所述软开关方法为：对直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出在多重移相控制下稳态状态变压器电流的解析解；通过对直流变换器换相过程进行等效电路建模，代入稳态变压器电流，推导出满足ZVS软开关必要的死区时间解析解。本发明在不改变DAB型直流变换器拓部结构和电路参数情况下，仅仅对多重移相控制下开关函数死区时间进行优化，即可实现ZVS软开关，极大的提升了直流变换器的功率传输效率。

Description

双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法
技术领域
本发明涉及直流变换器领域，一种双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方式。
背景技术
双有源全桥(Dual-Active Bridge，DAB)直流变换器具有电气隔离，功率双向传输和功率密度高等优点，广泛应用于储能等领域。如图1所示，DAB型直流变换器主要由输入侧全桥变换器，输出侧全桥变换器以及高频变压器组成。
传统的DAB型直流变换器的多重移相控制方式中，全桥变换器每个桥臂中的两个开关器件采用互补的开关模式，桥臂和桥臂间的开关相位差为180°。通过控制输入和输出侧全桥变换器之间的开关相位差和全桥变压器桥臂和桥臂间的开关相位差，来控制传输功率的大小和方向。此种控制方式可以保证在一定的传输功率前提下，抑制变换器回流功率，大大减小功率器件的损耗和提升变换器的效率。但是这种控制方式由于存在多个控制变量，开关器件的ZVS软开关通常难以实现。这就导致了功率器件的开关损耗大大增加。一方面这会降低变换器的效率，另一方面这会大大增加功率器件的温升。如果温升超过功率器件阈值，则会导致器件寿命的降低或损坏。目前比较流行的做法是，设计固定的开关函数死区时间，保证在最差的工作点附近时，仍能实现零电压(ZVS)软开关。但是这样会导致在其余工作点时，开关器件的体二极管导通时间过长，从而增加不必要的二极管导通损耗，进而降低变换器整体效率。如何动态找出对应每个工作点下的最优开关函数死区时间，既能保证ZVS软开关，又能减小开关器件体二极管导通时间，是非常困难的。
发明内容
本发明目的是：提供一种实现方式简单的双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，减小功率器件损耗和提升变换器效率。
本发明的技术方案是：
双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，所述双有源全桥直流变换器包括输入侧全桥变换器、输出侧全桥变换器，以及连接两侧全桥变换器的高频变压器，所述多重移相控制，是通过控制输入输出侧全桥变换器内桥臂与桥臂间的开关相位差，以及两个全桥变换器之间的开关相位差来控制传输功率的大小和方向；所述软开关方法为：对直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出在多重移相控制下稳态状态变压器电流的解析解；通过对直流变换器换相过程进行等效电路建模，代入稳态变压器电流，推导出满足ZVS软开关必要的死区时间解析解。
优选的，所述软开关方法应用于具体的闭环控制实现中时，将闭环控制器的输出控制变量代入所述的死区时间解析解，得到动态实现ZVS软开关所需的开关函数死区时间，将死区时间修正开关函数，提高传输功率效率。
优选的，在多重移相控制方式中，全桥变换器各个桥臂中的上下两个开关采用互补的开关模式，占空比为50％，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似。
优选的，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似后，对双有源全桥直流变换器进行等效电路建模：各个开关当成理想开关，变压器当成理想变压器和漏电感串联的结构。
优选的，完成电路建模后，变压器端电压表达为输入输出侧直流母线电压和全桥变换器中点位输出开关函数之间的关系，而全桥变换器中点位输出开关函数由变换器内各桥臂的开关函数代入得到；根据等效电路模型进行状态空间数学表达，进一步推导出稳态变压器电流的解析解。
优选的，所述两侧全桥变换器桥臂中的上下两个开关的互补并非绝对互补，之间存在死区时间使得上下两个开关均处于打开的状态，为了实现ZVS软开关，选取合适的死区时间使得换相结束后开关合上时的源极漏极电压差刚好为零。
优选的，将对DAB型直流变换器进行等效电路建模并利用一阶谐波近似求解得到的稳态变压器电流，代入至各桥臂换相过程中的等效电路模型中，得到各桥臂ZVS软开关时的死区时间解析解。
本发明的优点是：
本发明的双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，对直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出在多重移相控制下稳态状态变压器电流的解析解；通过对直流变换器换相过程进行等效电路建模，代入稳态变压器电流，推导出满足ZVS软开关必要的死区时间解析解。在不改变DAB型直流变换器拓部结构和电路参数情况下，仅仅对多重移相控制下开关函数死区时间进行优化，即可实现ZVS软开关，极大的提升了直流变换器的功率传输效率。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为双有源全桥直流变换器的原理图；
图2为双有源全桥直流变换器各个桥臂中上开关的开关函数曲线和全桥变换器中点位输出开关函数曲线；
图3为双有源全桥直流变换器的电路等效模型；
图4为桥臂中的上下两个开关存在死区时间的示意图；
图5为一个开关周期内各个换相过程应满足的条件示意图。
具体实施方式
如图1所示，DAB型直流变换器，主要由输入侧全桥变换器，输出侧全桥变换器，以及高频变压器组成，还包括输入侧电源V1、输出测电源V2。
在多重移相控制方式中，全桥变换器各个桥臂中的上下两个开关采用互补的开关模式，占空比为50％。以输入侧全桥变换器桥臂A的上开关为基准，各个桥臂中上开关的开关函数如图2所示。其中d1为输入侧全桥变换器中桥臂B对桥臂A的开关相位差占开关周期的比例；s为输出侧全桥变换器桥臂A对输入侧全桥变换器桥臂A的开关相位差占开关周期的比例；d2为输出侧全桥变换器桥臂B对桥臂A的开关相位差占开关周期的比例。
在本发明中，对开关函数进行一阶谐波近似，则每个开关函数可近似表达为：
Figure GDA0002935332000000031
Figure GDA0002935332000000032
Figure GDA0002935332000000033
Figure GDA0002935332000000034
其中ω为开关角频率。
在本发明中，对图1所示的DAB型直流变换器进行等效电路建模。在建模中，采用以下近似：各个开关当成理想开关，变压器当成理想变压器和漏电感串联的结构。电路等效模型如图3所示，其中Vp(t)和Vs(t)分别代表输入侧和输出侧变压器的端电压，L为变压器对输入侧等效漏电感。变压器端电压可表达为输入输出侧直流母线电压和全桥变换器中点位输出开关函数之间的关系，如下所示：
Vp＝V1Sp(t)＝V1(S1A-S1B)
Vs＝V2Sc(t)＝V2(S2A-S2B)
代入开关函数的表达式，全桥变换器中点位输出开关函数可表达为：
Figure GDA0002935332000000041
Figure GDA0002935332000000042
对等效电路模型进行状态空间数学表达，如下：
Figure GDA0002935332000000043
其中N为变压器输入侧对输出侧的线圈匝数比，iL(t)为输入侧变压器电流。由于变压器电流无稳态直流分量，上述状态空间方程的稳态解可表达为：
iL(t)＝kccos(ωt)+ks sin(ωt)
其中
Figure GDA0002935332000000044
Figure GDA0002935332000000045
在实际应用中，为了减小功率电子器件换相过程中的开关损耗，ZVS软技术通常被广泛应用。为了实现ZVS软开关，桥臂中的上下两个开关并非采用绝对互补的开关方式。以图4为例，存在死区时间dt_fe和dt_re使得上下两个开关均处于打开的状态。为实现ZVS软开关，应选取合适的死区时间使得换相结束后开关合上时的源极漏极电压差刚好为零。
本发明中，以图5为例，详细提出为实现ZVS软开关，在一个开关周期内各个换相过程应满足的条件：
1)当t＝t1时，输入侧全桥变换器桥臂A进行换相，中点电压从零换至V1，换相时间对应上开关开关函数上升沿死区时间
Figure GDA0002935332000000046
2)当t＝t2时，输出侧全桥变换器桥臂B进行换相，中点电压从V2换至零，换相时间对应上开关开关函数下降沿死区时间
Figure GDA0002935332000000052
3)当t＝t3时，输出侧全桥变换器桥臂A进行换相，中点电压从零换至V2，换相时间对应上开关开关函数上升沿死区时间
Figure GDA0002935332000000053
4)当t＝t4时，输入侧全桥变换器桥臂B进行换相，中点电压从零换至V1，换相时间对应上开关开关函数上升沿死区时间
Figure GDA0002935332000000054
5)当t＝t5时，输入侧全桥变换器桥臂A进行换相，中点电压从V1换至零，换相时间对应上开关开关函数下降沿死区时间
Figure GDA0002935332000000055
6)当t＝t6时，输出侧全桥变换器桥臂B进行换相，中点电压从零换至V2，换相时间对应上开关开关函数上升沿死区时间
Figure GDA0002935332000000056
7)当t＝t7时，输出侧全桥变换器桥臂A进行换相，中点电压从V2换至零，换相时间对应上开关开关函数上升沿死区时间
Figure GDA0002935332000000057
8)当t＝t8时，输入侧全桥变换器桥臂B进行换相，中点电压从V1换至零，换相时间对应上开关开关函数下降沿死区时间
Figure GDA0002935332000000058
在本发明中，对各桥臂换相过程中的等效电路模型进行近似。由于换相时间远远小于开关周期，在换相过程中流入桥臂中点的电流变化很小。在本发明中，假定换相过程中电流恒定，则换相前后，桥臂中点电压的改变可表示为：
Figure GDA0002935332000000051
其中Cequ为桥臂开关等效输出电容，即上下开关源极漏极输出电容之和；Δt为换相时间，即死区时间；I为流入桥臂中点的电流。
根据电流极性，流入各桥臂中点的电流可由输入侧变压器电流表示为：
I1A(t)＝-iL(t)
I1B(t)＝iL(t)
I2A(t)＝NiL(t)
I2B(t)＝-NiL(t)
本发明中，将对DAB型直流变换器进行等效电路建模并利用一阶谐波近似求解得到的输入侧变压器电流，代入至换相前后桥臂中点电压改变的表达式中，得到各桥臂ZVS软开关时的死区时间解析解，如下：
Figure GDA0002935332000000061
Figure GDA0002935332000000062
Figure GDA0002935332000000063
Figure GDA0002935332000000064
Figure GDA0002935332000000065
Figure GDA0002935332000000066
Figure GDA0002935332000000067
Figure GDA0002935332000000068
分析以上解析解可以得出，对于各桥臂中上开关的开关函数对下开关的开关函数的上升沿死区时间与下降沿死区时间一致。
在本发明中，通过对直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出在多重移相控制下的稳态状态变压器电流解析解。通过对直流变换器换相过程进行等效电路建模，代入稳态变压器电流，推导出满足ZVS软开关必要的死区时间解析解。
本发明应用于具体的多重移相闭环控制实现中时，只需将闭环控制器的输出控制变量代入死区时间解析解，即可动态实现ZVS软开关，大大提高传输功率效率，减小开关损耗。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，所述双有源全桥直流变换器包括输入侧全桥变换器、输出侧全桥变换器，以及连接两侧全桥变换器的高频变压器，其特征在于，所述多重移相控制，是通过控制输入输出侧全桥变换器内桥臂与桥臂间的开关相位差，以及两个全桥变换器之间的开关相位差来控制传输功率的大小和方向；所述软开关方法为：对直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出在多重移相控制下稳态状态变压器电流的解析解；通过对直流变换器换相过程进行等效电路建模，代入稳态变压器电流，推导出满足ZVS软开关必要的死区时间解析解；
所述软开关方法应用于具体的闭环控制实现中时，将闭环控制器的输出控制变量代入所述的死区时间解析解，得到动态实现ZVS软开关所需的开关函数死区时间，将死区时间修正开关函数，提高传输功率效率。
2.根据权利要求书1所述的双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，其特征在于，在多重移相控制方式中，全桥变换器各个桥臂中的上下两个开关采用互补的开关模式，占空比为50%，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似。
3.根据权利要求书2所述的双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，其特征在于，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似后，对双有源全桥直流变换器进行等效电路建模：各个开关当成理想开关，变压器当成理想变压器和漏电感串联的结构。
4.根据权利要求书3所述的双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，其特征在于，完成电路建模后，变压器端电压表达为输入输出侧直流母线电压和全桥变换器中点位输出开关函数之间的关系，而全桥变换器中点位输出开关函数由变换器内各桥臂的开关函数代入得到；根据等效电路模型进行状态空间数学表达，进一步推导出稳态变压器电流的解析解。
5.根据权利要求书4所述的双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，其特征在于，所述两侧全桥变换器桥臂中的上下两个开关的互补并非绝对互补，之间存在死区时间使得上下两个开关均处于打开的状态，为了实现ZVS软开关，选取合适的死区时间使得换相结束后开关合上时的源极漏极电压差刚好为零。
6.根据权利要求书5所述的双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，其特征在于，将对DAB型直流变换器进行等效电路建模并利用一阶谐波近似求解得到的稳态输入侧变压器电流，代入至各桥臂换相过程中的等效电路模型中，得到各桥臂ZVS软开关时的死区时间解析解。
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