CN111130358B - 一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法，本发明基于现有的TPS最小峰值电流控制策略，对DAB的运行模式进行了分析，总结出可以获得最小副边侧峰值电流标幺值的4个运行模式，并基于该运行模式建立电压变比与最小峰值电流标幺值的曲线关系。根据关系曲线确定电压变比和功率标幺值的选取，最后基于所选取的功率标幺值、电压变比和峰值电流标幺值与电压变比的关系曲线对DAB电路的关键参数进行设计：对电感值、变压器变比进行设计、原副边桥开关管电流应力。本发明将最小副边侧峰值电流的控制策略与宽输出电压范围有效结合在一起，能够使电路能够在满足器件电流应力的前提下，拓宽输出电压范围。

Description

一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法

技术领域

本发明属于直流变换器领域，具体涉及一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法。

背景技术

宽输出电压范围直流变换器有很大的应用场景，例如在电动汽车充电系统中，输出电压需要在200V～700V大范围变化。目前能实现升降压的DC-DC变换器有Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta及其衍生电路，但这些电路往往会受器件电流应力的限制导致其升降压能力受到限制。

双有源桥直流变换器(Dual Active Bridge,DAB)因其具有电气隔离、高功率密度、双向功率流动、高电压比升降压、结构对称易于实现软开关等诸多优点被广泛应用于分布式发电系统、电动汽车、电力电子变压器等大功率宽输入宽输出场合。目前常用的控制方法有单移相控制(Single-Phase-Shift,SPS)、双移相控制(Double-Phase-Shift,DPS)、拓展移相控制(Extend-Phase-Shift,EPS)、三移相控制(Triple-Phase-Shift,TPS)，研究学者也给出了上述四种控制方法获得最小峰值电流的控制策略，使得器件的电流应力得以减小，在一定的输出电压范围内具有升降压能力，但随着输出电压的不断升高或降低，副边侧峰值电流很容易就会超过器件的电流应力，导致器件损坏。

发明内容

本发明的目的在于解决上述不足，提供一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法，将最小峰值电流控制策略与宽输出电压结合在一起，能够使宽输出电压范围内峰值电流均满足器件电流应力。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，根据现有的TPS的最小电流峰值控制策略，建立不同工作模式和峰值电流标幺值I_2m ^*的对应关系；

步骤二，根据步骤一所得的对应关系建立电压变比k与最小峰值电流标幺值I_2m ^*的关系曲线和2I_2m ^*/p^*与p^*的关系曲线；

步骤三，根据步骤二所得的两个关系曲线对额定输出电流I_o所对应的功率标幺值p^*和最大输出电压U_2max所对应的电压变比k值进行选取；

步骤四，根据步骤三选取的功率标幺值p^*和电压变比k对DAB的关键参数进行设计和选型：对电感值L、变压器变比n进行设计，计算原副边桥开关管电流应力。

电压变比k、功率标幺值p^*和峰值电流标幺值I_2m ^*的计算方法如下：

其中，U₁为输入电压，U₂为输出电压，n为变压器变比，P为传输功率，P_B为功率基值，I_2m为变压器副边侧输出峰值电流，I_2mB为变压器副边侧峰值电流基值；为了方便描述，下文的峰值电流和峰值电流基值均为变压器副边侧的值。

功率基值P_B和峰值电流基值I_2mB的计算方法如：

其中，f_s为开关频率，L为电感值。

步骤三中，确定额定输出电流I_o对应的功率标幺值p^* _max的方法如下：

结合峰值电流标幺值I_2m ^*、功率基值P_B、峰值电流基值I_2mB以及公式P＝U₂I_o能够得到峰值电流与输出电流的关系：

由上式可知，当额定输出电流I_o给定，峰值电流仅取决于2I_2m ^*/p^*，当2I_2m ^*/p^*最小时可以获得最小峰值电流。

步骤三中，确定最大输出电压U_2max对应的电压变比k的方法如下：

根据三移相控制副边侧峰值电流的规律，建立给定功率标幺值p^*下电压变比k与最小峰值电流标幺值I_2m ^*的关系曲线，并确定功率标幺值p^*获得最大峰值电流时且在宽输出电压范围内的k值，令最大输出电压U_2max对应的峰值电流与k＝2时对应的峰值电流相等则可令宽输出电压范围内的所有电流应力均不超过k＝2时对应的峰值电流，由此可以求出最大输出电压U_2max对应的电压变比k。

步骤四中，电感值L计算方法如下：

根据功率标幺值p^*、功率基值P_B和公式P＝U₂I_o能够得到输出电流I_o与电感值L的关系式：

将输出电流I_o与电感值L的关系式代入变压器变比n和额定输出电流I_o对应的功率标幺值p^* _max能够计算电感值L。

步骤四中，计算原副边侧开关管的电流应力的方法如下：

在宽输出电压范围，k＝2处获得最大峰值电流，同时也获得开关管最大的电流应力，得到副边侧输出峰值电流为：

则原边侧峰值电流为：

其中，I_2m为副边侧输出峰值电流，I_1m为原边侧峰值电流。

与现有技术相比，本发明基于现有的TPS最小峰值电流控制策略，对DAB的运行模式进行了分析，总结出可以获得最小副边侧峰值电流标幺值的4个运行模式，并基于该运行模式建立电压变比与最小峰值电流标幺值的曲线关系。根据关系曲线确定电压变比和功率标幺值的选取，最后基于所选取的功率标幺值、电压变比和峰值电流标幺值与电压变比的关系曲线图对DAB电路的关键参数进行设计：对电感值、变压器变比进行设计、原副边桥开关管电流应力。本发明将最小副边侧峰值电流的控制策略与宽输出电压范围有效结合在一起，能够使电路能够在满足器件电流应力的前提下，拓宽输出电压范围。

附图说明

图1为本发明中DAB主电路拓扑图；

图2为本发明的流程图；

图3为实施例中k＝2时功率标幺值2I_2m ^*/p^*与p^*的关系曲线图；

图4为实施例中p^*＝0.83时电压变比k与峰值电流标幺值I_2m ^*的关系曲线图；

图5为实施例中电压变比k＝0.8时原副边桥输出电压u_h1、u_h2和电感电流i_L波形图；

图6为实施例中电压变比k＝0.8895时原副边桥输出电压u_h1、u_h2和电感电流i_L波形图；

图7为实施例中电压变比k＝1时原副边桥输出电压u_h1、u_h2和电感电流i_L波形图；

图8为实施例中电压变比k＝2时原副边桥输出电压u_h1、u_h2和电感电流i_L波形图；

图9为实施例中电压变比k＝14.22时原副边桥输出电压u_h1、u_h2和电感电流i_L波形图；

图10为实施例中电压变比k＝23.704时原副边桥输出电压u_h1、u_h2和电感电流i_L波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1和图2，本发明包括以下步骤：

步骤一，根据现有的TPS的最小电流峰值控制策略，建立不同工作模式和峰值电流标幺值I_2m ^*的对应关系；

步骤二，根据步骤一所得的对应关系建立电压变比k与最小峰值电流标幺值I_2m ^*的关系曲线和2I_2m ^*/p^*与p^*的关系曲线；

步骤三，根据步骤二所得的两个关系曲线对额定输出电流I_o所对应的功率标幺值p^*和最大输出电压U_2max所对应的电压变比k值进行选取；

步骤四，根据步骤三选取的功率标幺值p^*和电压变比k对DAB的关键参数进行设计和选型：对电感值L、变压器变比n进行设计，计算原副边桥开关管电流应力。

实施例：

本发明的DAB主电路拓扑如图1所示，具体实施流程图如图2所示。

定义电压变比k、功率标幺值p^*、峰值电流标幺值I_2m ^*如下：

其中P_B为功率基值，I_2mB为峰值电流基值，分别为：

步骤一：确定最大输出电压U_2max对应的电压变比k_min

根据总结三移相控制副边侧峰值电流的规律，可以建立给定p^*下电压变比k与最小峰值电流标幺值I_2m ^*的关系曲线图，如图3所示，可以发现给定p^*时在k>1条件下，k＝2处获得最大峰值电流，且在宽输出电压范围内必然经过k＝2，所以令最大输出电压U_2max对应的峰值电流与k＝2对应的峰值电流相等则可令宽输出电压范围内的所有电流应力均不超过k＝2时的峰值电流，由此可以求出最大输出电压U_2max对应的电压变比k_min：

k_min＝0.8895 (6)

步骤二：计算变压器变比n

由式(1)和上述求出的k_min可以求出变压器变比n：

步骤三：确定额定输出电流I_o对应的功率标幺值p^* _max

上述确定了在给定p^*条件下k＝2处的峰值电流最大，下面对额定输出电流I_o对应的功率标幺值p^* _max进行选择，使得k＝2处的峰值电流最小，也即可使得宽输出电压范围内的峰值电流达到最小。由式(2)、式(3)、式(4)、式(5)和式(8)可得峰值电流与输出电流的关系，如式(9)所示：

P＝U₂I_o(8)

当额定输出电流I_o给定，峰值电流仅取决于2I_2m ^*/p^*，当2I_2m ^*/p^*最小时可以获得最小峰值电流，图4给出了2I_2m ^*/p^*与p^*的关系曲线图，可以发现当p^*＝0.83时2I_2m ^*/p^*可以取得最小值，所以当p^*＝0.83时k＝2处的峰值电流也达到最小。

步骤四：计算电感值L

由式(2)、式(4)和式(8)可以得到输出电流电流I_o与电感值L的关系式：

代入由步骤二和步骤三所得的变压器变比n和额定输出电流I_o对应的功率标幺值p^* _max可以计算电感值L。

步骤五：计算原副边侧开关管的电流应力

在宽输出电压范围，k＝2处获得最大峰值电流，同时也获得开关管最大的电流应力。因为额定输出电流时取p^* _max＝0.83，所以可得副边侧输出峰值电流为：

副边侧开关管的电流应力选取副边侧峰值电流的2倍即可。

同理可以获得原边侧峰值电流为：

原边侧开关管的电流应力选取原边侧峰值电流的2倍即可。

本实施例的测试平台如表1所示。

表1测试平台参数

由式(7)、式(10)、式(11)、式(12)对表1中测试平台进行变压器变比n和电感值L的参数计算和原副边侧开关管选型：

考虑电流应力的裕量，由式(15)、式(16)可以选择原边侧开关管电流应力为400A左右，副边侧开关管电流应力为350A左右，其耐压值分别由输入电压和输出电压决定,可以取1.5倍裕量。

由式(15)可知在输出电压50V～800V范围内，副边侧峰值电流不会超过171A。

为了便于直观对比，下面直接给出Simulink仿真数据列表，最后附上仿真波形图，如图5至图10所示。

表2输入电压640V、输出电流100A时输出电压和峰值电流对应表

参见图6至图10，结合表2的Simulink仿真列表可以发现在k＝2与k＝0.8895的峰值电流接近且近似等于预测的最大峰值电流171A，同时可以看到输出电压50V～800V范围内峰值电流均不超过171A，证明了理论的正确性。

且由图3可以得出：当k>k_min＝0.8895即U₂小于800V的范围内，峰值电流均不会超过k＝2或k＝0.8895的峰值电流。所以输出电压的范围可以进一步拓展至50V以下，表2中对U₂＝30V进行仿真，可以发现其峰值电流为146.2A，小于171A。

Claims (6)

1.一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据现有的TPS的最小电流峰值控制策略，建立不同工作模式和最小峰值电流标幺值I_2m ^*的对应关系；

步骤二，根据步骤一所得的对应关系建立电压变比k与最小峰值电流标幺值I_2m ^*的关系曲线和2I_2m ^*/p^*与p^*的关系曲线；

步骤三，根据步骤二所得的两个关系曲线对额定输出电流I_o所对应的功率标幺值p^*和最大输出电压U_2max所对应的电压变比k值进行选取；

步骤四，根据步骤三选取的功率标幺值p^*和电压变比k对DAB的关键参数进行设计和选型：对电感值L、变压器变比n进行设计，计算原副边桥开关管电流应力。

2.根据权利要求1所述的一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法，其特征在于，电压变比k、功率标幺值p^*和最小峰值电流标幺值I_2m ^*的计算方法如下：

其中，U₁为输入电压，U₂为输出电压，n为变压器变比，P为传输功率，P_B为功率基值，I_2m为变压器副边侧输出峰值电流，I_2mB为变压器副边侧峰值电流基值；

功率基值P_B和变压器副边侧峰值电流基值I_2mB的计算方法如：

其中，f_s为开关频率，L为电感值。

3.根据权利要求1所述的一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法，其特征在于，步骤三中，确定额定输出电流I_o对应的功率标幺值p^*的方法如下：

结合最小峰值电流标幺值I_2m ^*、功率基值P_B、变压器副边侧峰值电流基值I_2mB以及公式P＝U₂I_o能够得到峰值电流与额定输出电流的关系：

由上式可知，当额定输出电流I_o给定，峰值电流仅取决于2I_2m ^*/p^*，当2I_2m ^*/p^*最小时可以获得最小峰值电流。

4.根据权利要求1所述的一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法，其特征在于，步骤三中，确定最大输出电压U_2max对应的电压变比k的方法如下：

根据三移相控制副边侧峰值电流的规律，建立给定功率标幺值p^*下电压变比k与最小峰值电流标幺值I_2m ^*的关系曲线，并确定功率标幺值p^*获得最大峰值电流时且在宽输出电压范围内的k值，令最大输出电压U_2max对应的峰值电流与k＝2时对应的峰值电流相等则可令宽输出电压范围内的所有电流应力均不超过k＝2时的峰值电流，由此可以求出最大输出电压U_2max对应的电压变比k。

5.根据权利要求1所述的一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法，其特征在于，步骤四中，电感值L计算方法如下：

根据功率标幺值p^*、功率基值P_B和公式P＝U₂I_o能够得到额定输出电流I_o与电感值L的关系式：

将额定输出电流I_o与电感值L的关系式代入变压器变比n和额定输出电流I_o对应的功率标幺值p^*能够计算电感值L。

6.根据权利要求1所述的一种具有宽输出电压的双有源桥直流变换器的参数算法，其特征在于，步骤四中，计算原副边侧开关管的电流应力的方法如下：

在宽输出电压范围，k＝2处获得最大峰值电流，同时也获得开关管最大的电流应力，得到副边侧输出峰值电流为：

则原边侧峰值电流为：

其中，I_2m为副边侧输出峰值电流，I_1m为原边侧峰值电流。

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