CN111628655B - 用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法 - Google Patents

用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置的通用移相控制方法，由于单移相和双移相均可视为三重移相的特殊情况，所以本发明重点从三重移相角度来分析。该方法包括，在稳态期间，双有源桥直流变换器中的原副边全桥的输出侧分别命名为VAB，VCD。原边内移相占空比为D1，原副边外移相占空比为D2，副边内移相占空比为D3。假设移相占空比从稳态时的D1、D2、D3突变到下一个稳态的D1”，D2”，D3”，暂态时，调整占空比突变后首个开关周期内开关管的开通关断时刻满足一定关系，突变后的第二个开关周期之后，移相占空比再稳定为D1”，D2”，D3”，则可以消除变换器的暂态直流偏置。本发明可以减小暂态时的电流冲击，并加快动态响应。

Description

用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及到双有源桥直流变换器，特别涉及到一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法及应用。
背景技术
双有源桥直流变换器具有拓扑结构简单、能量双向流动、易实现软开关等优势，在储能系统、电动汽车充电桩等场合具有较好的应用前景。然而由于移相占空比突变、器件参数有差异等原因，双有源桥直流变换器的高频变压器和电感中会出现暂态偏置电流。暂态偏置电流会引起电流应力增大，增加损耗，降低变换器的效率。若长时间存在偏置电流，还可能会引起磁性元件饱和，最终造成电路损坏。
在研究中，通常认为在一个开关周期内，变压器两端电压满足伏秒平衡。在稳态过程中，双有源桥直流变换器可以满足上述条件，变压器的电流不产生直流偏置。但在移相占空比发生变化的瞬间，变压器两端的电压并不满足伏秒平衡，导致了暂态直流偏置现象的产生。
传统的抑制偏置电流的方法是串联隔直电容，但这样会显著地增加变换器的体积和成本。变换器在额定功率下工作时，隔直电容中同样会有额定电流流过，导致效率降低。
中国专利“发明人：张博诚，张军明，邵帅，吴新科。申请号：201910366347.0的《一种双有源桥变换器磁元件偏置电流的抑制方法》”中提到增设稳态电流控制器来抑制直流偏置，但通过滤波得到电流平均值来控制开关管的移相占空比，响应速度慢，移相占空比突变时的瞬态直流偏置抑制能力有限，有可能引起磁性元件饱和而危害电路安全运行。
中国专利“申请号：CN201410678003.0的《一种用于双主动全桥直流变换器的暂态移相控制方法》”针对单移相控制，提出在移相占空比突变后的首个周期内，调整开关管的开通关断时刻，来消除暂态偏置，这种方法响应速度较快，但该实现方法仅适用于原、副边存在移相占空比为单移相调制策略，而在双移相或三重移相调制策略中则无法实现暂态直流偏置抑制能力。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置的通用移相控制方法及应用。不采用辅助器件，通过控制手段，消除双有源桥直流变换器在移相占空比突变时引起的暂态直流偏置，从而减小暂态时的电流应力，加快动态响应。且该算法具有很好的通用性，可适用于单移相(SPS)、双移相(DPS)或三重移相(TPS)中，从而有效降低系统的电流应力。
本发明采取的技术手段如下：
一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法，该控制方法包括如下步骤：
(1)双有源桥直流变换器中的原副边八个开关管的驱动脉冲(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)在变换器稳态运行时，均为占空比为50％的方波；
(2)设置原边全桥变换器H1的开关管1的驱动脉冲(S1)和开关管2的驱动脉冲(S2)互补，开关管3的驱动脉冲(S3)和开关管4的驱动脉冲(S4)互补；副边全桥变换器H2的开关管5的驱动脉冲(S5)和开关管6的驱动脉冲(S6)互补，开关管7的驱动脉冲(S7)和开关管8的驱动脉冲(S8)互补；
(3)原边全桥变换器H1的开关管1的驱动脉冲(S1)与开关管4的驱动脉冲(S4)之间有一个移相占空比D1；
(4)原边全桥变换器H1的开关管1的驱动脉冲(S1)与副边全桥变换器H2的开关管5的驱动脉冲(S5)之间有一个移相占空比D2；
(5)副边全桥变换器H2的开关管5的驱动脉冲(S5)与开关管8的驱动脉冲(S8)之间有一个移相占空比D3；
(6)移相占空比D1、D2、D3控制变换器传输功率的大小和方向；
(7)根据D2+D3是否大于等于1，可以将三重移相的稳定工作状态分为两种模式，如果D2+D3<1，则认为变换器处于模式1；如果D2+D3≥1，则认为变换器处于模式2；
(8)将移相占空比突变之前的稳态状态命名为第一稳态，移相占空比突变之后的稳定状态命名为第二稳态，第一稳态和第二稳态之间命名为暂态过渡过程；
(9)设暂态过渡过程内，S4的开通时刻为X1*Ts，关断时刻为X2*Ts；S5的开通时刻为Y1*Ts，关断时刻为Y2*Ts；S8的开通时刻为Z1*Ts，关断时刻为Z2*Ts。
(10)由于变换器的稳定工作状态分为两种模式，因此占空比由第一稳态的D1、D2、D3突变为第二稳态的D1”，D2”，D3”时，引起的系统模式内或模式间的变化分为四类：第一稳态为模式1，第二稳态为模式1；第一稳态为模式1，第二稳态为模式2；第一稳态为模式2，第二稳态为模式1；第一稳态为模式2，第二稳态为模式2。
(11)令D1’＝0.5(D1+D1”)，D2’＝0.5(D2+D2”)，D3’＝0.5(D3+D3”)；
(12)如果第一稳态为模式1，第二稳态为模式1，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2’+D3’，Z2＝D2”+D3”+1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置；
(13)如果第一稳态为模式1，第二稳态为模式2，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2’+D3’，Z2＝D2”+D3”-1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置；
(14)如果第一稳态为模式2，第二稳态为模式1，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2”+D3”，Z2＝D2’+D3’，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置；
(15)如果第一稳态为模式2，第二稳态为模式2，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2”+D3”，Z2＝D2’+D3’-1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置。
进一步的，所述的移相占空比D1、D2，D3均大于等于0，小于等于1。
进一步的，所述的移相占空比D1”、D2”，D3”均大于等于0，小于等于1。
再进一步的，本发明方法不仅适用于原副边均为全桥结构的拓扑，同样也适用于原副边其中一侧为半桥三电平结构，一侧为全桥结构，以及原副边均为半桥三电平结构的拓扑。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
双有源桥直流变换器在由第一稳态下移相占空比突变时，通过调整暂态过渡过程中开关管开通关断时刻，使得电感电流在一个开关周期内达到第二稳态，消除了暂态直流偏置，减小暂态时的电流冲击，加快动态响应。本发明作为处理三重移相暂态偏置的移相控制方法，也同样适用于单移相、双移相，是一种处理暂态直流偏置的通用移相控制方法。
附图说明
图1是本发明控制的双有源桥直流变换器原副边均为全桥的拓扑结构图；
图2是本发明控制的双有源桥直流变换器原副边均为半桥三电平的拓扑结构图；
图3a是本发明下双有源桥直流变换器三重移相控制的模式分类下的模式1；
图3b是本发明下双有源桥直流变换器三重移相控制的模式分类下的模式2；
图4a是在上述模式分类下，第一稳态为模式1，第二稳态为模式1时，本发明用于双有源桥直流变换器三重移相下的暂态移相控制方法示意图；
图4b是在上述模式分类下，第一稳态为模式1，第二稳态为模式2时，本发明用于双有源桥直流变换器三重移相下的暂态移相控制方法示意图；
图4c是在上述模式分类下，第一稳态为模式2，第二稳态为模式1时，本发明用于双有源桥直流变换器三重移相下的暂态移相控制方法示意图；
图4d是在上述模式分类下，第一稳态为模式2，第二稳态为模式2时，本发明用于双有源桥直流变换器三重移相下的暂态移相控制方法示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置的通用移相控制方法，由于单移相和双移相均可视为三重移相的特殊情况，所以本发明重点从三重移相角度来分析。该方法包括，在稳态期间，双有源桥直流变换器中的原副边全桥的输出侧分别命名为VAB，VCD。原边内移相占空比为D1，原副边外移相占空比为D2，副边内移相占空比为D3。假设移相占空比从稳态时的D1、D2、D3突变到下一个稳态的D1”，D2”，D3”，暂态时，调整占空比突变后首个开关周期内开关管的开通关断时刻满足一定关系，突变后的第二个开关周期之后，移相占空比再稳定为D1”，D2”，D3”，则可以消除变换器的暂态直流偏置。本发明可以减小暂态时的电流冲击，并加快动态响应。
具体的，一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法，该控制方法包括如下步骤：
(1)双有源桥直流变换器中的原副边八个开关管的驱动脉冲(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)在变换器稳态运行时，均为占空比为50％的方波；
(2)设置原边全桥变换器H1的开关管1的驱动脉冲(S1)和开关管2的驱动脉冲(S2)互补，开关管3的驱动脉冲(S3)和开关管4的驱动脉冲(S4)互补；副边全桥变换器H2的开关管5的驱动脉冲(S5)和开关管6的驱动脉冲(S6)互补，开关管7的驱动脉冲(S7)和开关管8的驱动脉冲(S8)互补；
(3)原边全桥变换器H1的开关管1的驱动脉冲(S1)与开关管4的驱动脉冲(S4)之间有一个移相占空比D1；
(4)原边全桥变换器H1的开关管1的驱动脉冲(S1)与副边全桥变换器H2的开关管5的驱动脉冲(S5)之间有一个移相占空比D2；
(5)副边全桥变换器H2的开关管5的驱动脉冲(S5)与开关管8的驱动脉冲(S8)之间有一个移相占空比D3；
(6)移相占空比D1、D2、D3控制变换器传输功率的大小和方向；
(7)根据D2+D3是否≥1，将三重移相的稳定工作状态分为两种模式，如果D2+D3<1，则认为变换器处于模式1；如果D2+D3≥1，则认为变换器处于模式2；
(8)将移相占空比突变之前的稳态状态命名为第一稳态，移相占空比突变之后的稳定状态命名为第二稳态，第一稳态和第二稳态之间命名为暂态过渡过程；
(9)设暂态过渡过程内，S4的开通时刻为X1*Ts，关断时刻为X2*Ts；S5的开通时刻为Y1*Ts，关断时刻为Y2*Ts；S8的开通时刻为Z1*Ts，关断时刻为Z2*Ts；
(10)由于变换器的稳定工作状态分为两种模式，因此占空比由第一稳态的D1、D2、D3突变为第二稳态的D1”，D2”，D3”时，引起的系统模式内或模式间的变化分为四类：第一稳态为模式1，第二稳态为模式1；第一稳态为模式1，第二稳态为模式2；第一稳态为模式2，第二稳态为模式1；第一稳态为模式2，第二稳态为模式2；
(11)令D1’＝0.5(D1+D1”)，D2’＝0.5(D2+D2”)，D3’＝0.5(D3+D3”)；
(12)如果第一稳态为模式1，第二稳态为模式1，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2’+D3’，Z2＝D2”+D3”+1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置；
(13)如果第一稳态为模式1，第二稳态为模式2，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2’+D3’，Z2＝D2”+D3”-1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置；
(14)如果第一稳态为模式2，第二稳态为模式1，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2”+D3”，Z2＝D2’+D3’，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置；
(15)如果第一稳态为模式2，第二稳态为模式2，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2”+D3”，Z2＝D2’+D3’-1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置。
进一步的，所述的移相占空比D1、D2均≥0，D3≤1。
进一步的，所述的移相占空比D1”、D2”均≥0，D3”≤1。
再进一步的，所述的用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法用于原副边均为全桥结构的拓扑；用于原副边其中一侧为半桥三电平结构，一侧为全桥结构；原副边均为半桥三电平结构的拓扑。
参照图1，实施例中开关管1、开关管2、开关管3、开关管4、开关管5、开关管6、开关管7、开关管8分别是对应的S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8处的开关管。实际上不管是半桥还是全桥结构中，两两对应的开关管驱动脉冲互补即适用本发明方法。
下面结合本发明的技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例，需要指出的是，所描述的实施例旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。
图1展示了本发明的应用场合双有源桥直流变换器原副边均为全桥的拓扑结构，该拓扑结构主要包括全桥变换器H1、H2，滤波电容C1、C2，磁性元件电感L，高频隔离变压器TF。
图2展示了本发明的应用场合双有源桥直流变换器原副边均为半桥三电平的拓扑结构，该拓扑结构主要包括半桥三电平变换器H1、H2，原边上、下母线电容C1、C2，副边上、下母线电容C4、C5，磁性元件电感L，高频隔离变压器TF。
双有源桥直流变换器三重移相可根据D2+D3是否大于等于1分为两种模式，如果满足D2+D3<1，则认为处于模式1，如图3a所示；如果满足D2+D3≥1，则认为处于模式2，如图3b所示。VAB为A点和B点之间的电压差，VCD为C点和D点之间的电压差，IL为电感电流，Ths为开关周期的一半。
在稳定状态下，当双有源桥直流变换器处于模式1时，S1上升沿对应的时刻为0*Ths，下降沿对应的时刻为1*Ths，S4上升沿对应的时刻为D1*Ths，下降沿对应的时刻为(1+D1)*Ths，S5上升沿对应的时刻为D2*Ths，下降沿对应的时刻为(1+D2)*Ths，S8上升沿对应的时刻为(D2+D3)*Ths，下降沿对应的时刻为(D2+D3+1)*Ths。
在稳定状态下，当双有源桥直流变换器处于模式2时，S1、S4、S5的上升沿和下降沿对应的时刻均和模式1相同，但S8上升沿对应的时刻为(D2+D3)*Ths，下降沿对应的时刻为(D2+D3-1)*Ths。
本发明用于双有源桥直流变换器三重移相的暂态移相控制的方案如图4所示。由于将三重移相控制模式分为两类，因此分别讨论了第一稳态为模式1，第二稳态为模式1；第一稳态为模态1，第二稳态为模态2；第一稳态为模式2，第二稳态为模式1；第一稳态为模式2，第二稳态为模态2四种情况，分别如图4a、4b、4c、4d所示。图4a、4b、4c、4d中t0’时刻之前，双有源桥以移相占空比D1、D2、D3稳态运行，在t0”时刻之后双有源桥直流变换器以移相占空比D1”、D2”、D3”稳态运行，t0’～t0”为暂态过渡过程一个完整的开关周期。
设暂态过渡过程内，S4的开通时刻为X1*Ts，关断时刻为X2*Ts；S5的开通时刻为Y1*Ts，关断时刻为Y2*Ts；S8的开通时刻为Z1*Ts，关断时刻为Z2*Ts。
令D1’＝0.5(D1+D1”)，D2’＝0.5(D2+D2”)，D3’＝0.5(D3+D3”)。
如果第一稳态为模式1，第二稳态为模式1，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2’+D3’，Z2＝D2”+D3”+1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置。
如果第一稳态为模式1，第二稳态为模式2，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2’+D3’，Z2＝D2”+D3”-1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置。
如果第一稳态为模式2，第二稳态为模式1，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2”+D3”，Z2＝D2’+D3’，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置。
如果第一稳态为模式2，第二稳态为模式2，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2”+D3”，Z2＝D2’+D3’-1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置。
从图中可以看出，单移相可以将上述讨论中的D1＝D1”＝0，D3＝D3”＝0，即S1与S4同时导通关断，S5和S8同时导通关断，按照同种方式处理即可消除暂态偏置。
从图中可以看出，双移相可以将上述讨论中的D1＝D3，D1”＝D3”，按照同种方式处理即可消除暂态偏置。
传统移相控制方法下，移相占空比突变会引起很大的电流冲击，使变压器产生直流偏置，同时电流最大值增大，危害开关器件的安全运行。在本发明提供的一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置的通用移相控制方法下，移相占空比突变时，消除了暂态偏置，减小了电流冲击，且电流在一个开关周期内就恢复了平衡。

Claims (4)

1.一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法，其特征在于：该控制方法包括如下步骤：
(1)双有源桥直流变换器中的原副边八个开关管的驱动脉冲(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)在变换器稳态运行时，均为占空比为50％的方波；
(2)设置原边全桥变换器H1的开关管1的驱动脉冲(S1)和开关管2的驱动脉冲(S2)互补，开关管3的驱动脉冲(S3)和开关管4的驱动脉冲(S4)互补；副边全桥变换器H2的开关管5的驱动脉冲(S5)和开关管6的驱动脉冲(S6)互补，开关管7的驱动脉冲(S7)和开关管8的驱动脉冲(S8)互补；
(3)原边全桥变换器H1的开关管1的驱动脉冲(S1)与开关管4的驱动脉冲(S4)之间有一个移相占空比D1；
(4)原边全桥变换器H1的开关管1的驱动脉冲(S1)与副边全桥变换器H2的开关管5的驱动脉冲(S5)之间有一个移相占空比D2；
(5)副边全桥变换器H2的开关管5的驱动脉冲(S5)与开关管8的驱动脉冲(S8)之间有一个移相占空比D3；
(6)移相占空比D1、D2、D3控制变换器传输功率的大小和方向；
(7)根据D2+D3是否≥1，将三重移相的稳定工作状态分为两种模式，如果D2+D3<1，则认为变换器处于模式1；如果D2+D3≥1，则认为变换器处于模式2；
(8)将移相占空比突变之前的稳态状态命名为第一稳态，移相占空比突变之后的稳定状态命名为第二稳态，第一稳态和第二稳态之间命名为暂态过渡过程；
(9)设暂态过渡过程内，S4的开通时刻为X1*Ts，关断时刻为X2*Ts；S5的开通时刻为Y1*Ts，关断时刻为Y2*Ts；S8的开通时刻为Z1*Ts，关断时刻为Z2*Ts；
(10)由于变换器的稳定工作状态分为两种模式，因此占空比由第一稳态的D1、D2、D3突变为第二稳态的D1”，D2”，D3”时，引起的系统模式内或模式间的变化分为四类：第一稳态为模式1，第二稳态为模式1；第一稳态为模式1，第二稳态为模式2；第一稳态为模式2，第二稳态为模式1；第一稳态为模式2，第二稳态为模式2；
(11)令D1’＝0.5(D1+D1”)，D2’＝0.5(D2+D2”)，D3’＝0.5(D3+D3”)；
(12)如果第一稳态为模式1，第二稳态为模式1，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2’+D3’，Z2＝D2”+D3”+1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置；
(13)如果第一稳态为模式1，第二稳态为模式2，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2’+D3’，Z2＝D2”+D3”-1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置；
(14)如果第一稳态为模式2，第二稳态为模式1，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2”+D3”，Z2＝D2’+D3’，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置；
(15)如果第一稳态为模式2，第二稳态为模式2，令暂态过渡过程的X1＝D1’，X2＝1+D1”；Y1＝D2’，Y2＝1+D2”；Z1＝D2”+D3”，Z2＝D2’+D3’-1，则可以消除此种情况下的暂态直流偏置。
2.如权利要求1所述的一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法，其特征在于，所述的移相占空比D1、D2均≥0，D3≤1。
3.如权利要求1所述的一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法，其特征在于，所述的移相占空比D1”、D2”均≥0，D3”≤1。
4.如权利要求1-3项中任意一项所述的一种用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法的应用，其特征在于，权利要求1-3项中所述的用于双有源桥直流变换器暂态直流偏置通用移相控制方法用于原副边均为全桥结构的拓扑；用于原副边其中一侧为半桥三电平结构，一侧为全桥结构；原副边均为半桥三电平结构的拓扑。
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