CN111987918A - 一种双向dc-dc软开关控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向DC‑DC软开关控制方法，该方法包括：基于双有源桥电路优化控制后，电感电流工作于三角波模式的工况，通过双有源桥电路中的辅助电感、开关管的并联电容进行算法计算，得到开关管的发波时序，实现所有开关管的零电压软开通，同时保证优化控制的三角波模式改变最小和防止能量过多的倒灌，提高变换器的综合效率和抑制噪声干扰。

Description

一种双向DC-DC软开关控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种双向DC-DC软开关控制方法。

背景技术

储能交换系统中，双向电力电子变换器变的越来越重要，双向DC/DC变换器是其中的核心组件。双有源桥变换器作为带隔离变压器的双向DC/DC解决方案，具有功率密度高，调压范围宽，效率高，同时能够实现软开关，广泛应用在储能系统。双有源桥变换器在实际工程中，通常对电感电流有效值、峰值、回流功率等目标进行优化。经过优化后，双有源桥变换器的电感电流会很大区间内，工作在三角波模式。变换器的电感电流工作在三角波模式时，其中8个开关管中，只有一对开关管能够实现零电压软开通，其他开关管都不能实现零电压软开通，只能硬开通，电路的开通损耗变大和EMC(Electro Magnetic Compatibility)性能变差。

实现零电压软开通，需要让开关管反并联的二极管提前导通，但是电流越大，回流的功率的越大，会增加发热，能量过多的倒灌，发热增大，效率降低。反之，回流的电流小，又不足以实现全部开关管的零电压软开通。

发明内容

本发明通过对电路的建模和分析，提出一种双向DC-DC软开关控制方法，该方法包括：基于双有源桥电路优化控制后，电感电流工作于三角波模式的工况，通过双有源桥电路中的辅助电感、开关管的并联电容进行算法计算，得到电路驱动的量化控制策略，控制开关管的发波时序，实现所有开关管的零电压软开通，同时保证优化控制的三角波模式改变最小和防止能量过多的倒灌，提高变换器的综合效率和抑制噪声干扰。

本发明针对双有源桥电路结构。其中的电路为双有源桥双向电路结构，包括第一桥式单元、第二桥式单元、辅助电感、第一滤波电容、第二滤波电容。

第一桥式单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管，第一开关管的一端以及第二开关管的一端点与辅助电感一端相连，辅助电感的另一端和变压器高压侧线圈一端连接，第三开关管的一端以及第四开关管的一端均与变压器高压侧线圈的另一端点连接，第一开关管的另一端与第三开关管的另一端均与第一滤波电容的一端相连，第二开关管的另一端与第四开关管的另一端均与第一滤波电容的另一端连接。每一个开关管并联一个反向二极管和电容。

第二桥式单元包括第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管，第五开关管的一端以及第六开关管的一端点与和变压器低压侧线圈一端连接，第七开关管的一端以及第八开关管的一端均与变压器低压侧线圈的另一端连接，第五开关管的另一端与第七开关管的另一端均与第二滤波电容的一端相连，第六开关管的另一端与第八开关管的另一端均与第二滤波电容的另一端连接。每一个开关管并联一个反向二极管和电容。

双有源桥的电路的第一开关管和第二开关管、第三开关管和第四开关管、第五开关管和第六开关管及第七开关管和第八开关管的驱动信号是占空比50％的驱动信号，且互补导通。D₁为第一开关管和第五开关管之间的移相角；D₂为第一开关管和第四开关管之间的移相角；D₃为第五开关管和第八开关管之间的移相角。D₁、D₂、D₃是相对于半个导通周期的移相角。变压器的漏感太小，进行忽略。双有源桥拓扑通过控制D₁,D₂,D₃控制能量的流动。电压增益比值

其中输入电压V_1,、输出电压V₂；k≤1，表示降压模式，k＞1时，表示升压模式。

其中控制步骤如下：

(1)、定义

开关管的并联电容C，辅助电感的电感量L，开关频率f、输入电压V_1,、输出电压V₂，计算电压增益比值

(2)、根据输出电压V_2,和输出电流I₂，得到输出功率P_o＝V₂·I₂，计算输出功率的标幺值Pstar：

(3)、根据升压和降压模式进行判断。其中k<1时，降压情况下，控制算法是：

k>1时，升压情况下，控制算法是：

根据升压或降压模式，利用Z、f、k、Pstar表示出D₁、D₂、D₃；生成对应的驱动信号，对所有开关管进行控制，实现满足软开关的要求，防止能量过多的倒灌，提高变换器的综合效率和抑制噪声干扰。

附图说明

图1是双有源桥电路结构；

图2是降压模式对应的三角波波形；

图3是升压模式对应的三角波波形；

图4是根据本发明降压模式的开关时序图；

图5是根据本发明升压模式的开关时序图；

图6是双有源桥电路的整体的控制框图；

图7是双有源桥电路的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进行进一步对发明进行进一步的阐释。

为了实现本发明的技术方案，让更多的工程人员了解到本发明，下面将结合具体实施方式和控制方案，精确的实现的所有开关管的零电压软开关控制，同时满足优化策略的最优能量传输。

本发明的图1展示了本发明应用场景之提供了双有源桥双向电路结构，包括第一桥式单元、第二桥式单元、辅助电感L、第一滤波电容Cin、第二滤波电容Co。

具体地，第一桥式单元包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3以及第四开关管Q4，第一开关管Q1的一端以及第二开关管的Q2的一端A点与辅助电感L一端相连，辅助电感L的另一端和变压器T1高压侧线圈一端连接，第三开关管Q3的一端以及第四开关管Q4的一端均与变压器T1高压侧线圈的另一端点B连接，第一开关管Q1的另一端与第三开关管Q3的另一端均与第一滤波电容Cin的一端相连，第二开关管Q2的另一端与第四开关管Q4的另一端均与第一滤波电容Cin的另一端连接。所有开关管并联一个反并联二极管和电容C。

具体地，第二桥式单元包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7以及第八开关管Q8，第五开关管Q5的一端以及第六开关管的Q6的一端C点与和变压器T1低压侧线圈一端连接，第七开关管Q7的一端以及第八开关管Q8的一端均与变压器T1低压侧线圈的另一端D连接，第五开关管Q5的另一端与第七开关管Q7的另一端均与第二滤波电容Co的一端相连，第六开关管Q6的另一端与第八开关管Q8的另一端均与第二滤波电容Co的另一端连接。所有开关管并联一个反并联二极管和电容C。

双有源桥的电路的第一开关管和第二开关管、第三开关管和第四开关管、第五开关管和第六开关管及第七开关管和第八开关管的驱动信号是占空比50％的驱动信号，且互补导通。开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄侧的H桥定义为HB1,开关管Q₅、Q₆、Q₇、Q₈侧的H桥定义为HB₂。D₁为HB₁和HB₂的外移相角，即Q₁和Q₅之间的移相角；D₂为HB₁桥的内移相角，即Q₁和Q₄之间的内移相角；D₃为HB₂桥的内移相角，即Q₅和Q₈之间的内移相角。D₁、D₂、D₃是相对于半个导通周期的移相角。通过控制D₁,D₂,D₃控制能量的流动。双有源桥变换器通过隔离变压器的漏感和辅助电感L传输能量，因为隔离变压器的漏感很小，所以忽略。本拓扑实现了电气隔离和能量的双向流动，可以通过控制变换器的三个移相角实现高自由度的控制，电压增益比值

k≤1，表示降压模式，对应的三角波波形如图2；k＞1时，表示升压模式，对应的三角波波形如图3。开关时序图2表示不同时刻Q₁、Q₄、Q₅和Q₈的整体开通、导通和关断情况。

软开关特性分析：开关期间通过实现零电压开通，能够降低开通损耗。对于双有源桥的电路结构，因为变压器两次总共8个开关管。所以具体分析：根据零电压导通的产生条件和电感电流方向，因为稳态工作时，双有源桥的电路工作时，半周期对称，因此，只要同一桥臂的上下管中的上部器件实现零电压导通，下部器件也能同时实现零电压导通；同理只要下部器件实现零电压导通，上部器件也能实现零电压导通。但是如图2所示，t₀、t₂、t₃时刻的电感电流为0，这样就会导致Q3和Q4，Q6、Q5,Q7、Q8开关管是全部临界导通。这六个开关管相当于全部失去零电压软开通。这就需要对零电压导通的范围进行优化。

但是电流实现零电压软开通，需要让开关管的反并联的二极管提前导通，但是电流越大，回流的功率越大，会增加发热，能量过多的倒灌，发热增大，效率降低。反之，回流的电流小，又不足以实现全部开关管的零电压软开通。

本发明提出一种双有源桥变换器实现软开关的控制策略，控制电路中开关管的发波时序，实现所有开关管的零电压软开关控制，同时根据双有源桥电路中的电感、电容进行计算，给出控制策略的量化计算方法。保证所有开关管的软开通和原有的优化目标基本保持不变，防止能量的倒灌，提高变换器的综合效率和抑制噪声干扰。

双有源桥电路的整体的控制框图如图6。其中运算器中的控制策略如图7。当k<1降压时：为了实现所有开关管软开关，控制的开关时序图如图4所示，控制方案通过对L和开关管的并联电容C进行控制，步骤如下：

(1)、参数设置：定义

开关管的并联电容C，辅助电感的电感L，开关频率f、输入电压为V_1,、输出电压为V_2,计算电压增益比值

(2)、根据输出电压V_2,和输出电流I₂，能够得到：P_o＝V₂·I₂计算输出功率的标幺值Pstar：

(3)、针对图4的开关管的开关时序图，采用下面的公式进行，控制算法是：

(4)、根据步骤3的控制数学表达式产生的D₁,D₂,D₃，产生对应的驱动信号，对8个开关管进行精确控制，实现满足软开关的要求，又不会多增加回流功率。

k>1升压时，升压时，为了实现所有开关管的软开关，控制的开关时序图如图5所示，控制方案通过对L和开关管的并联电容C进行控制。步骤如下：

(1)、参数设置：定义

开关频率f、输入电压为V_1,、输出电压为V_2,计算电压增益比值

(2)、根据输出电压V_2,和输出电流I₂，能够得到：输出功率P_o＝V₂·I₂计算输出功率的标幺值Pstar：

(3)、针对图5的开关管的开关时序图，采用下面的公式，控制算法是：

(4)、根据上面步骤3的控制数学表达式产生的D₁,D₂,D₃，产生对应的驱动信号，对8个开关管进行控制，实现满足软开关的要求，同时保证优化控制的三角波模式改变最小和防止能量过多的倒灌，提高变换器的综合效率和抑制噪声干扰。

上述实施方式仅是示例性的示出本发明，并不企图限制本发明。另外对于没有详细描述的步骤属于本领域技术人员熟知的技术内容。对于涵盖在本发明构思内的相应的变换和更改均在本发明范围内。

Claims (8)

1.一种双向DC-DC软开关控制方法，该方法包括：基于双有源桥电路优化控制后，电感电流工作于三角波模式的工况，通过双有源桥电路中的辅助电感、开关管的并联电容进行算法计算，得到开关管的发波时序，实现所有开关管的零电压软开通，同时保证优化控制的三角波模式改变最小和防止能量过多的倒灌，提高变换器的综合效率和抑制噪声干扰。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，电路为双有源桥电路，包括第一桥式单元、第二桥式单元、辅助电感、第一滤波电容、第二滤波电容。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，双有源桥电路的第一桥式单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管，第一开关管的一端以及第二开关管的一端点与辅助电感一端相连，辅助电感的另一端和变压器高压侧线圈一端连接，第三开关管的一端以及第四开关管的一端均与变压器高压侧线圈的另一端点连接，第一开关管的另一端与第三开关管的另一端均与第一滤波电容的一端相连，第二开关管的另一端与第四开关管的另一端均与第一滤波电容的另一端连接，每一个开关管并联一个反向二极管和电容。

4.根据权利要求2或3所述的控制方法，其特征在于：第二桥式单元包括第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管，第五开关管的一端以及第六开关管的一端点与和变压器低压侧线圈一端连接，第七开关管的一端以及第八开关管的一端均与变压器低压侧线圈的另一端连接，第五开关管的另一端与第七开关管的另一端均与第二滤波电容的一端相连，第六开关管的另一端与第八开关管的另一端均与第二滤波电容的另一端连接，每一个开关管并联一个反向二极管和电容。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的控制方法，其特征在于，双有源桥的电路的第一开关管和第二开关管、第三开关管和第四开关管、第五开关管和第六开关管及第七开关管和第八开关管的驱动信号是占空比50％的驱动信号，且互补导通；D₁为第一开关管和第五开关管之间的移相角；D₂为第一开关管和第四开关管之间的移相角；D₃为第五开关管和第八开关管之间的移相角；D₁、D₂、D₃是相对于半个导通周期的移相角；双有源桥拓扑通过控制D₁,D₂,D₃控制能量的流动。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的控制方法，其特征在于，电压增益比值

其中输入电压V₁、输出电压V₂；k≤1时，表示降压模式，k＞1时，表示升压模式。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的控制方法，其特征在于，计算包括：定义

开关管的并联电容C，辅助电感的电感L，开关频率f、输入电压V₁、输出电压V₂，电压增益比值

根据输出电压V₂,和输出电流I₂，得到输出功率P_o＝V₂·I₂，进一步计算输出功率的标幺值Pstar：

8.根据权利要求1-7中任一项所述的控制方法，其特征在于，k<1时，降压情况下，控制算法是：

k>1时，升压情况下，控制算法是：

根据升压或降压模式，利用Z、f、k、Pstar表示出D₁、D₂、D₃；生成对应的驱动信号，对所有开关管进行控制，实现满足软开关的要求，防止能量过多的倒灌，提高变换器的综合效率和抑制噪声干扰。

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