CN110739856B - 双有源全桥直流变换器功率流方向突变延迟切换方法 - Google Patents

双有源全桥直流变换器功率流方向突变延迟切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双有源全桥直流变换器功率流方向突变延迟切换方法，所述方法包括：当变换器能量传递方向突然发生改变时，在检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，而是在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换。本发明优点：能够有效抑制正反向功率流切换时电感电流的最大值，从而减小磁芯体积，提高功率密度和变换器的可靠性。

Description

双有源全桥直流变换器功率流方向突变延迟切换方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种双有源全桥直流变换器功率流方向突变延迟切换方法。
背景技术
由于石油、煤、天然气等化石能源(不可再生能源)日益紧张、环境污染严重、全球变暖、核能生产会产生核废料和污染环境等原因，能源和环境已成为21世纪人类所面临的重大问题。太阳能、风能、潮汐能和地热能等可再生能源(绿色能源)，具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点,开发和利用可再生能源越来越受到人们的重视，这对世界各国经济的持续发展具有相当重要的意义。由于可再生能源的不稳定性，通常需要配备蓄电池作为备用电源来平衡输入源与负载之间的功率不匹配，对蓄电池的充电和放电通常采用双向直流变换器来实现。同时，直流配电网由于传输容量大、电能损耗小、电能质量高、新能源发电系统接入成本低等优点，目前已成为各国的研究热点，双向直流变换器通常作为直流配电网各级母线间的接口电路进行能量的双向传递。
双向直流变换器具有多种电路拓扑，非隔离型双向直流变换器是在传统单向直流变换器基础上，在二极管上反并联全控型开关实现，适用于输入输出电压相差不大的场合。在输入输出电压相差很大的场合，常采用隔离双向直流变换器。双有源全桥隔离双向直流变换器具有模块化对称结构，易实现能量双向流动和软开关，是应用非常广泛的一种电路拓扑。双有源全桥隔离双向直流变换器电路拓扑如图1所示，变换器原边电压为U1，副边电压为U2，S1-S8为全控型功率开关P-MOS，D1-D8分别为P-MOS的反并联二极管，变压器原副边绕组匝数比为n:1。传递能量的元件为变压器绕组串联电感L，L可以是变压器漏感，也可以是外加的电感。
双有源全桥隔离双向直流变换器可以采用单移相或双移相控制策略。单移相控制策略存在回流功率大、电感电流峰值和有效值过大、系统损耗大等问题，因而没有得到广泛应用。双移相控制策略是在负载一定的情况下通过优化全桥内部移相角和原副边两个全桥之间的移相角，有效减小回流功率和电感电流峰值及有效值。能量正向流动时，双极性移相控制的稳态波形如图2所示，一个开关周期为Ts，半个开关周期为Ths，每个功率开关导通180°，原边全桥的对角开关管S4比S1滞后D1Ths，副边全桥每组对角线功率开关导通180°，副边全桥功率开关S5比S1滞后D2Ths，D1和D2分别称为内移相比和外移相比，且D2>D1/2，变换器从输入端传递到输出端的功率为：
Figure BDA0002230477710000021
电感电流峰值为：
Figure BDA0002230477710000022
由于传递功率越大，则外移相比D2越大，因此电感电流峰值越大。
能量反向流动时，双极性移相控制的稳态原理波形如图3所示。每个功率开关导通180°，副边全桥的对角开关管S8比S5滞后D1Ths，原边全桥每组对角线功率开关导通180°，原边全桥功率开关S1比S5滞后D2Ths，D2>D1/2，同样的，当反向传递功率越大，外移相比D2越大，电感电流峰值越大。
双有源全桥隔离双向直流变换器中传递能量的电感L电流iL的峰值决定了所需要采用磁芯的大小。为减小变换器体积和重量，设计时均以稳态满载情况下电感电流峰值作为电感电流的最大值设计依据。
当变换器能量传递方向突然由正向变为反向传递时，如果在检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期开始时刻直接切换，各功率开关驱动信号和电感电流波形如图4所示，在第k个开关周期，通过检测负载电流发现能量流动方向由正向变为反向，在k+1个周期开始时刻kTs直接将原边全桥移相控制转为对角开关各导通180°，副边全桥由对角开关各导通180°转为移相控制，由于在kTs时刻的电流iL(kTs)位于负峰值点，直接切换后电感电流会继续反向增大，引起电感磁芯饱和。
同样的，当变换器能量传递方向突然由反向变为正向传递时，如果在检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期开始时刻直接切换，各功率开关驱动信号和电感电流波形如图5所示，在第k个开关周期，通过检测负载电流发现能量流动方向由反向变为正向，在k+1个周期开始时刻kTs直接将原边全桥由对角开关各导通180°转为移相控制，副边全桥由移相控制转为对角开关各导通180°，由于在kTs时刻的电流iL(kTs)为正且接近正峰值,直接切换后电感电流会继续正向增大，引起电感磁芯饱和。
通过以上分析可知，当检测到能量流动方向发生改变后的下一个开关周期内直接切换原副边的控制方式，将会导致电感电流超出其设计峰值，最严重的情况发生在从正向满载直接切换至反向满载的情况，这会导致磁芯饱和，甚至损坏功率开关，使变换器无法正常工作。
因此，寻求一种能有效解决双有源全桥隔离双向直流变换器传递能量方向突变时电感磁芯易饱和问题的切换策略，对于有效减小变换器电感磁芯体积，提高功率密度、发挥该拓扑的潜能、推动直流配电网以及可再生能源的发展均具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种双有源全桥直流变换器功率流方向突变延迟切换方法，解决现有双有源全桥隔离双向直流变换器在能量传递方向突变时直接切换存在的电感电流超出其设计峰值，导致磁芯饱和的问题。
本发明是这样实现的：双有源全桥直流变换器功率流方向突变延迟切换方法，所述方法包括：
当变换器能量传递方向突然发生改变时，在检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，而是在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换。
进一步地，所述当变换器能量传递方向突然发生改变时，在检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，而是在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换具体为：
当变换器能量传递方向突然由正向变为反向传递时，在负载电流检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，等到功率开关S1的下降沿时刻再执行切换，也即在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换，将原边全桥由移相控制转为对角开关各导通180°，将副边全桥由对角开关各导通180°转为移相控制；
当变换器能量传递方向突然由反向变为正向传递时，在负载电流检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，等到功率开关S5的下降沿时刻再执行切换，也即在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换，将原边全桥由对角开关各导通180°转为移相控制，将副边全桥由移相控制转为对角开关各导通180°。
本发明具有如下优点：本发明针对双有源全桥隔离双向直流变换器在能量传递方向突变时直接切换存在的电感电流超出其设计峰值，导致磁芯饱和的问题，提出了一种延迟切换控制策略，能够有效抑制正反向功率流切换时电感电流的最大值，从而减小磁芯体积，提高功率密度和变换器的可靠性。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为现有技术中双有源全桥隔离双向直流变换器电路拓扑图。
图2为现有技术中变换器正向传递能量时的稳态原理波形图。
图3为现有技术中变换器反向传递能量时的稳态原理波形图。
图4为现有技术中能量从正向流动至反向流动直接切换原副边移相控制的原理波形图。
图5为现有技术中为能量从反向流动至正向流动直接切换原副边移相控制的原理波形图。
图6为本发明中能量从正向流动至反向流动延迟切换原副边移相控制的原理波形图。
图7为本发明中能量从反向流动至正向流动延迟切换原副边移相控制的原理波形图。
具体实施方式
请参阅图1至图7所示，本发明双有源全桥直流变换器功率流方向突变延迟切换方法，下面先对现有变换器(电路拓扑如图1所示)的双移相控制策略进行说明：
由图2可以看出，现有变换器在采用双移相控制方式时，当进行正向能量传递时，原边全桥移相控制，功率开关S1与功率开关S2驱动信号互补导通180°，功率开关S3与功率开关S4驱动信号互补导通180°，功率开关S4的驱动信号比功率开关S1的驱动信号延迟D1Ths，副边全桥采用对角线功率开关各导通180°控制方式，即功率开关S5与功率开关S8共同导通180°，功率开关S6与功率开关S7共同导通180°，功率开关S5和功率开关S8的驱动信号比功率开关S1的驱动信号延迟D2Ths，在一个开关周期中，前半个开关周期的三个时段t0～t1、t1-t2和t2～t3，电感电流iL均上升，后半个开关周期的三个时段t3～t4、t4-t5和t5～t6，电感电流iL均下降。
由图3可以看出，变换器在反向传递能量时，原边全桥采用对角线功率开关各导通180°控制方式，即功率开关S1与功率开关S4共同导通180°，功率开关S2与功率开关S3共同导通180°，副边全桥采用移相控制，功率开关S5与功率开关S6驱动信号互补，功率开关S7与功率开关S8驱动信号互补，功率开关S8的驱动信号比功率开关S5的驱动信号延迟D1Ths，功率开关S1和功率开关S4的驱动信号比功率开关S5的驱动信号延迟D2Ths，在一个开关周期中，t0～t1、t1-t2时段电感电流iL均为上升，t2-t3，t3～t4、t4-t5时段电感电流iL下降，t5-t6电感上升。
由图4可以看出，在第k个开关周期由负载电流检测到能量由正向突变为反向时，若在下一个开关周期起始时刻kTs就切换到原边全桥采用对角线功率开关导通180°、副边全桥移相控制方式，由于切换时刻电感电流iL(kTs)为负峰值，切换后电感电流继续反向增大，将超过其峰值电流。
由图5可以看出，在第k个开关周期由负载电流检测到能量由反向突变为正向时，若在下一个开关周期起始时刻kTs就切换到原边全桥移相控制、副边全桥采用对角线功率开关导通180°控制方式，由于切换时刻电感电流iL(kTs)接近正峰值，切换后电感电流继续正向增大，将超过其峰值电流。
基于现有变换器的双移相控制策略存在切换后电感电流会超过其峰值电流的问题，本发明方法包括：
当变换器能量传递方向突然发生改变时，在检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，而是在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换。
其中，所述当变换器能量传递方向突然发生改变时，在检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，而是在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换具体为：
如图6所示，当变换器能量传递方向突然由正向变为反向传递时，在第k个开关周期中，在负载电流检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻kTs不执行切换，等到功率开关S1的下降沿时刻再执行切换，也即从下一个开关周期的开始时刻kTs往后延迟Ts/2，到了(k+1/2)Ts时刻再进行切换，将原边全桥由移相控制转为对角开关各导通180°，将副边全桥由对角开关各导通180°转为移相控制；由于在(k+1/2)Ts时刻正好是功率开关S1的下降沿，此时iL[(k+1/2)Ts]>0且接近正峰值，因此，在切换后电流将持续下降，从而抑制了流过电感的最大正向电流。
如图7所示，当变换器能量传递方向突然由反向变为正向传递时，在第k个开关周期中，在负载电流检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻kTs不执行切换，等到功率开关S5的下降沿时刻再执行切换，也即从下一个开关周期的开始时刻kTs往后延迟Ts/2，到了(k+1/2)Ts时刻再进行切换，将原边全桥由对角开关各导通180°转为移相控制，将副边全桥由移相控制转为对角开关各导通180°；由于在(k+1/2)Ts时刻正好是功率开关S5的下降沿，此时iL[(k+1/2)Ts]<0且接近负峰值，因此，在切换后电流将持续上升，从而抑制了流过电感的最大反向电流。
综上所述，本发明针对双有源全桥隔离双向直流变换器在能量传递方向突变时直接切换存在的电感电流超出其设计峰值，导致磁芯饱和的问题，提出了一种延迟切换控制策略，能够有效抑制正反向功率流切换时电感电流的最大值，从而减小磁芯体积，提高功率密度和变换器的可靠性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种双有源全桥直流变换器功率流方向突变延迟切换方法，其特征在于：所述方法包括：
当变换器能量传递方向突然发生改变时，在检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，而是在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换。
2.根据权利要求1所述的双有源全桥直流变换器功率流方向突变延迟切换方法，其特征在于：所述当变换器能量传递方向突然发生改变时，在检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，而是在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换具体为：
当变换器能量传递方向突然由正向变为反向传递时，在负载电流检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，等到功率开关S1的下降沿时刻再执行切换，也即在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换，将原边全桥由移相控制转为对角开关各导通180°，将副边全桥由对角开关各导通180°转为移相控制；其中功率开关S1为变换器原边中靠近电容C1的上管；
当变换器能量传递方向突然由反向变为正向传递时，在负载电流检测到能量传递方向发生改变后的下一个开关周期的开始时刻不执行切换，等到功率开关S5的下降沿时刻再执行切换，也即在下一个开关周期的开始时刻延迟半个开关周期再执行切换，将原边全桥由对角开关各导通180°转为移相控制，将副边全桥由移相控制转为对角开关各导通180°；其中功率开关S5为变换器幅边中远离电容C2的上管。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112202338A (zh) * 2020-09-28 2021-01-08 深圳大学 一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法
CN114301297A (zh) * 2021-06-23 2022-04-08 华为数字能源技术有限公司 一种功率变换器、增大逆向增益范围的方法、装置、介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103248234A (zh) * 2013-04-26 2013-08-14 上海交通大学 一种应用于电池储能的双向隔离全桥变流器的控制方法
CN103904902A (zh) * 2014-04-08 2014-07-02 扬州大学 一种多能源输入电力变换器控制装置
CN104901542A (zh) * 2015-05-15 2015-09-09 西交利物浦大学 一种适用双向全桥直流变换器的统一双移相控制方法
US10073512B2 (en) * 2014-11-19 2018-09-11 General Electric Company System and method for full range control of dual active bridge

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3244525B1 (en) * 2016-05-09 2020-08-19 Omron Corporation Power conversion device
US10892678B2 (en) * 2017-08-09 2021-01-12 Infineon Technologies Austria Ag Method and apparatus for bidirectional operation of phase-shift full bridge converter using inductor pre-charging

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103248234A (zh) * 2013-04-26 2013-08-14 上海交通大学 一种应用于电池储能的双向隔离全桥变流器的控制方法
CN103904902A (zh) * 2014-04-08 2014-07-02 扬州大学 一种多能源输入电力变换器控制装置
US10073512B2 (en) * 2014-11-19 2018-09-11 General Electric Company System and method for full range control of dual active bridge
CN104901542A (zh) * 2015-05-15 2015-09-09 西交利物浦大学 一种适用双向全桥直流变换器的统一双移相控制方法

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