CN112202338A - 一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法 - Google Patents

一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法 Download PDF

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CN112202338A CN202011041154.7A CN202011041154A CN112202338A CN 112202338 A CN112202338 A CN 112202338A CN 202011041154 A CN202011041154 A CN 202011041154A CN 112202338 A CN112202338 A CN 112202338A
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Abstract

本发明实施例提供了一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法。该方法包括，接收用户输入的目标稳态功率以及初始稳态功率，若判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由正向传输转变为反向传输，根据目标稳态功率以及初始稳态功率通过公式计算出原边方波电压vh1暂态时的负脉宽和副边方波电压vh2暂态时的正脉宽；若判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由反向传输转变为正向传输，同理得出原边方波电压vh1暂态时的负脉宽和副边方波电压vh2暂态时的正脉宽，以改善双有源全桥直流变换器功率换向时的暂态性能。本发明的方法不仅消除了双有源全桥直流变换器进行功率传输切换时的暂态直流偏置，而且实现了暂态软开关，大大降低了元器件受损的风险。

Description

一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法
技术领域
本发明属于功率转换器技术领域，尤其涉及一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法。
背景技术
随着可再生能源和智能电网技术的快速发展，不同能源之间频繁的功率交换需求越来越普遍，以实现灵活的电源管理，双向功率转换器在那些需要进行功率双向传输的应用场合下发挥着重要的作用，如：电池能量储能系统、不间断电源、电动汽车、固态变压器。双有源全桥直流变换器是双向功率转换器中最典型的电路拓扑，其具有实现高功率密度、电气隔离、软开关、双向传输功率、模块化、对称的结构等优点，因此引起了广泛的关注和研究。实现功率双向传输的控制策略中最广泛且最具有代表性的有单移相控制、扩展移相控制、双移相控制和三移相控制，大多数研究主要是集中在控制策略的稳态性能，而对控制策略的暂态性能研究非常少。
双有源全桥直流变换器在传统的单移相控制下改变功率传输的方向时，在暂态过程中会出现暂态硬开关问题和在功率电感电流中产生直流偏置问题。暂态硬开关问题在开关器件上产生巨大的电压尖峰，会导致开关器件的电压应力增加以及变换器的电磁干扰性能变差。直流偏置问题在情况严重下会导致磁性元件饱和、加大开关器件的电流应力和功率损耗，甚至会损害开关管。
在现有的暂态优化技术中，仅仅消除了双有源全桥直流变换器进行功率双向传输时的暂态直流偏置问题，而暂态硬开关问题依然存在。可见解决双有源全桥直流变换器进行功率双向传输时硬开关问题即实现双向功率转换器暂态软开关意义重大。
发明内容
有鉴于此，本发明提出的双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法，旨在解决双有源全桥直流变换器进行功率双向传输时的暂态直流偏置和暂态硬开关问题。
本发明实施例提供了一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法，该方法包括：
接收用户输入的目标稳态功率以及初始稳态功率，所述目标稳态功率的传输方向与所述初始稳态功率的传输方向相反；
根据目标稳态功率以及初始稳态功率判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式；
若双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由正向传输转变为反向传输，根据目标稳态功率以及初始稳态功率计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小；
通过公式
Figure BDA0002706689890000021
计算出原边方波电压vh1暂态时的负脉宽；
通过公式
Figure BDA0002706689890000022
计算出副边方波电压vh2暂态时的正脉宽；
若双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由反向传输转变为正向传输，根据目标稳态功率以及初始稳态功率计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小；
通过公式
Figure BDA0002706689890000023
计算出原边方波电压vh1暂态时的负脉宽；
通过公式
Figure BDA0002706689890000024
计算出副边方波电压vh2暂态时的正脉宽；
其中，φp为原边方波电压vh1暂态时的负脉宽，φs为副边方波电压vh2暂态时的正脉宽，M为双有源全桥直流变换器的增益，θ1为原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小，θ2为原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小。
其进一步技术方案为，所述根据目标稳态功率以及初始稳态功率判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式，包括：
判断目标稳态功率以及初始稳态功率是否满足目标稳态功率小于0且初始稳态功率大于0；
若目标稳态功率以及初始稳态功率满足目标稳态功率小于0且初始稳态功率大于0，则判定双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由正向传输转变为反向传输。
其进一步技术方案为，所述根据目标稳态功率以及初始稳态功率判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式，包括：
判断目标稳态功率以及初始稳态功率是否满足目标稳态功率大于0且初始稳态功率小于0；
判断目标稳态功率以及初始稳态功率满足目标稳态功率大于0且初始稳态功率小于0，则判定双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由反向传输转变为正向传输。
其进一步技术方案为，所述根据目标稳态功率以及初始稳态功率计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小，包括：
通过公式
Figure BDA0002706689890000031
计算出原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小为θ2；
通过公式
Figure BDA0002706689890000032
计算出原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小为θ1；
其中，P2为目标稳态功率，P1为初始稳态功率，L为原边串联功率电感，n为高频变压器副边绕组与原边绕组的匝比，V1和V2分别为原、副边的直流电压，f为双有源全桥直流变换器的开关频率。
其进一步技术方案为，所述根据目标稳态功率以及初始稳态功率计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小，包括：
通过公式
Figure BDA0002706689890000041
计算出原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小为θ2；
通过公式
Figure BDA0002706689890000042
计算出原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小为θ1；
其中，P2为目标稳态功率，P1为初始稳态功率，L为原边串联功率电感，n为高频变压器副边绕组与原边绕组的匝比，V1和V2分别为原、副边的直流电压，f为双有源全桥直流变换器的开关频率。
本发明实施例提供了一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法，包括接收用户输入的目标稳态功率以及初始稳态功率，根据目标稳态功率以及初始稳态功率判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式；若双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由正向传输转变为反向传输，根据目标稳态功率以及初始稳态功率计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小；再根据原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小，通过公式计算出原边方波电压vh1暂态时的负脉宽和副边方波电压vh2暂态时的正脉宽；若双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由反向传输转变为正向传输，同理得出原边方波电压vh1暂态时的负脉宽和副边方波电压vh2暂态时的正脉宽，以改善双有源全桥直流变换器功率换向时的暂态性能。本发明提出的方法，不仅消除了双有源全桥直流变换器进行功率双向传输时的暂态直流偏置，而且实现了暂态软开关，大大降低了元器件受损的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法的流程示意图；
图2为双有源全桥直流变换器的拓扑结构图；
图3为双有源全桥直流变换器的功率从正向传输变为反向传输的电压及电流波形图；
图4为双有源全桥直流变换器的功率从反向传输变为正向传输的电压及电流波形图；
图5为在传统的单移相控制下双有源全桥直流变换器的功率从正向传输变为反向传输时的波形图；
图6为在传统的单移相控制下双有源全桥直流变换器的功率从反向传输变为正向传输时的波形图；
图7为在本发明的方法控制下双有源全桥直流变换器的功率从正向传输变为反向传输时的波形图；
图8为在本发明的方法控制下双有源全桥直流变换器的功率从反向传输变为正向传输时的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法的流程示意图。
如图所示，该方法包括以下步骤S101-S104。
步骤S101，接收用户输入的目标稳态功率以及初始稳态功率。
具体实施中，用户输入双有源全桥直流变换器进行功率传输的目标稳态功率以及初始稳态功率，所述目标稳态功率的传输方向与所述初始稳态功率的传输方向相反。本发明的方法应用在双有源全桥直流变换器发生功率传输方向切换的场景中，因此目标稳态功率与初始稳态功率的符号相反。
步骤S102，根据目标稳态功率以及初始稳态功率判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式。
具体实施中，根据目标稳态功率以及初始稳态功率判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式。具体步骤为，判断目标稳态功率以及初始稳态功率是否满足目标稳态功率小于0且初始稳态功率大于0；若目标稳态功率以及初始稳态功率满足目标稳态功率小于0且初始稳态功率大于0，则判定双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由正向传输转变为反向传输。
判断目标稳态功率以及初始稳态功率是否满足目标稳态功率大于0且初始稳态功率小于0；判断目标稳态功率以及初始稳态功率满足目标稳态功率大于0且初始稳态功率小于0，则判定双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由反向传输转变为正向传输。
步骤S103，计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小。
具体实施中，根据目标稳态功率以及初始稳态功率计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小。
若双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由正向传输转变为反向传输，
通过公式
Figure BDA0002706689890000061
计算出原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小为θ2；
通过公式
Figure BDA0002706689890000062
计算出原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小为θ1；
若双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由反向传输转变为正向传输，
通过公式
Figure BDA0002706689890000063
计算出原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小为θ2；
通过公式
Figure BDA0002706689890000071
计算出原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小为θ1；
其中，P2为目标稳态功率，P1为初始稳态功率，L为原边串联功率电感，n为高频变压器副边绕组与原边绕组的匝比，V1和V2分别为原、副边的直流电压，f为双有源全桥直流变换器的开关频率。
通过传输功率计算原边电压与副边电压的相位差值的原理推导过程可参照现有资料确定，本发明对此不再赘述。
步骤S104，计算原边方波电压vh1暂态时的负脉宽以及副边方波电压vh2暂态时的正脉宽。
若双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由正向传输转变为反向传输，
通过公式
Figure BDA0002706689890000072
计算出原边方波电压vh1暂态时的负脉宽；
通过公式
Figure BDA0002706689890000073
计算出副边方波电压vh2暂态时的正脉宽；
若双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由反向传输转变为正向传输，
通过公式
Figure BDA0002706689890000074
计算出原边方波电压vh1暂态时的负脉宽；
通过公式
Figure BDA0002706689890000075
计算出副边方波电压vh2暂态时的正脉宽；
其中，φp为原边方波电压vh1暂态时的负脉宽，φs为副边方波电压vh2暂态时的正脉宽，M为双有源全桥直流变换器的增益，θ1为原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小，θ2为原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小。
参阅图2，双有源全桥直流变换器的拓扑结构由两个全桥Bridge1和Bridge2、原边电源V1和副边电源V2、两个直流电容器C1和C2、功率电感L和一个高频变压器组成。每个全桥由两个桥臂组成，各有4个开关管。双有源全桥直流变换器在传统的单移相控制策略下，每个开关管为50％的占空比，每个桥臂的上下两只开关管均为互补导通，通过控制左侧全桥中的四个开关管S11、S12、S13与S14产生原边方波电压vh1，它的幅值电压等于原边电压V1。即S11与S14同时导通、S12与S13同时导通。同理，通过控制右侧全桥的开关管S21、S22、S23与S24，产生副边方波电压vh2，它的幅值电压等于副边电压V2，通过控制两侧全桥的电压vh1和vh2之间移相角来控制传输功率的大小和传输的方向。为了防止同一桥臂的开关同时导通，在开关管的栅极控制信号中设置了死区。iL为功率电感电流，高频变压器副边绕组与原边绕组的匝数比为1:n，变换器增益为M＝nV1/V2。
记双有源全桥直流变换器功率从原边V1侧向副边V2侧传输为正向功率传输，此时vh1的相位超前vh2，传输功率大于0。同理，记双有源全桥直流变换器功率从副边侧V2侧向原边V1侧传输为反向功率传输，此时vh1的相位滞后vh2，传输功率小于0。定义双有源全桥直流变换器功率传输初始稳态时，vh1和vh2与之间的相位差的大小为θ1；双有源全桥直流变换器功率传输达到目标稳态时，vh1和与vh2之间的相位差的大小为θ2。θ1和θ2由变换器所要传输功率的大小决定。功率表达式可参照现有资料确定。
本发明的方法是在暂态过程中，通过合理的调节原边方波电压vh1暂态时的负脉宽φp和副边方波电压vh2暂态时的正脉宽φs来实现消除暂态直流偏置和硬开关的问题，以优化双有源全桥直流变换器的暂态性能。
参阅图3，当双有源全桥直流变换器的功率从正向传输变为反向传输时，正向功率传输时的稳态为初始稳态，vh1和vh2之间移相角差的大小为θ1，反向传输时的稳态为最终的稳态，此时vh1和vh2之间移相角差的大小为θ2。计算公式是通过如下步骤得出的：
Figure BDA0002706689890000081
其中，参见图3所示，I0、I1、I2、I3分别为对应与不同时刻通过功率电感的电流。
由图3可知，φs+θ1+θ2＝φp+2π (2)
为了消除直流偏置，使
Figure BDA0002706689890000091
结合式(1)(2)和(3)可得
Figure BDA0002706689890000092
由上式(4)可知，当双有源全桥直流变换器的功率从正向传输变为反向传输时，本发明的方法是通过缩短开关管S12和开关管S13的导通时间，延长S11和S14的导通时间，消除直流偏置及实现暂态软开关，从而提高变换器的暂态性能。
参阅图4，当双有源全桥直流变换器的功率从反向传输变为正向传输时，同理，可得控制算法如下：
Figure BDA0002706689890000093
由上式(5)可知，当双有源全桥直流变换器的功率从反向传输变为正向传输时，本发明的方法是通过延长开关管S12和开关管S13的导通时间，缩短S11和S14的导通时间，消除直流偏置及实现暂态软开关，从而提高变换器的暂态性能。
其中，φp为原边方波电压vh1暂态时的负脉宽，φs为副边方波电压vh2暂态时的正脉宽，M为双有源全桥直流变换器的增益，θ1为原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小，θ2为原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小。
本发明的技术效果通过实验波形展现出来。
电路参数选择为：V1＝40V，V2＝60V，n＝1.5，L＝60uH，C1＝C2＝470μF
该实验中有三个稳态过程，双有源全桥直流变换器的功率传输从正向传输切换为反向传输，再由反向传输切换为正向传输。
参阅图5可知，采用传统单移相控制方法，双有源全桥直流变换器的功率传输从正向传输切换为反向传输时，功率电感电流iL在暂态过程中出现直流偏置，并且副边方波电压vh2由正电平变为负电平时出现硬开关，产生了很大的电压尖峰。同样的，参阅图6可知，双有源全桥直流变换器的功率传输从反向传输切换为正向传输时，功率电感电流iL在暂态过程中出现直流偏置，并且副边方波电压vh2由负电平变为正电平时出现硬开关，产生了很大的电压尖峰。
参阅图7和图8可知，采用本发明提出的双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法，双有源全桥直流变换器的功率传输无论从正向传输切换为反向传输，还是从反向传输切换为正向传输时，功率电感电流iL在暂态过程中没有直流分量产生，且电压方波vh1和vh2没有产生电压尖峰，故实验证明采用本发明提出的双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法不仅消除了直流偏置，而且在暂态过程中实现了暂态软开关。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚且本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法，其特征在于，包括：
接收用户输入的目标稳态功率以及初始稳态功率，所述目标稳态功率的传输方向与所述初始稳态功率的传输方向相反；
根据目标稳态功率以及初始稳态功率判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式；
若双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由正向传输转变为反向传输，根据目标稳态功率以及初始稳态功率计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小；
通过公式
Figure FDA0002706689880000011
计算出原边方波电压vh1暂态时的负脉宽；
通过公式
Figure FDA0002706689880000012
计算出副边方波电压vh2暂态时的正脉宽；
若双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由反向传输转变为正向传输，根据目标稳态功率以及初始稳态功率计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小；
通过公式
Figure FDA0002706689880000013
计算出原边方波电压vh1暂态时的负脉宽；
通过公式
Figure FDA0002706689880000014
计算出副边方波电压vh2暂态时的正脉宽；
其中，φp为原边方波电压vh1暂态时的负脉宽，φs为副边方波电压vh2暂态时的正脉宽，M为双有源全桥直流变换器的增益，θ1为原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小，θ2为原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小。
2.根据权利要求1所述的双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法，其特征在于，所述根据目标稳态功率以及初始稳态功率判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式，包括：
判断目标稳态功率以及初始稳态功率是否满足目标稳态功率小于0且初始稳态功率大于0；
若目标稳态功率以及初始稳态功率满足目标稳态功率小于0且初始稳态功率大于0，则判定双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由正向传输转变为反向传输。
3.根据权利要求1所述的双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法，其特征在于，所述根据目标稳态功率以及初始稳态功率判断双有源全桥直流变换器的功率切换方式，包括：
判断目标稳态功率以及初始稳态功率是否满足目标稳态功率大于0且初始稳态功率小于0；
判断目标稳态功率以及初始稳态功率满足目标稳态功率大于0且初始稳态功率小于0，则判定双有源全桥直流变换器的功率切换方式为由反向传输转变为正向传输。
4.根据权利要求2所述的双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法，其特征在于，所述根据目标稳态功率以及初始稳态功率计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小，包括：
通过公式
Figure FDA0002706689880000021
计算出原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小为θ2；
通过公式
Figure FDA0002706689880000022
计算出原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小为θ1；
其中，P2为目标稳态功率，P1为初始稳态功率，L为原边串联功率电感，n为高频变压器副边绕组与原边绕组的匝比，V1和V2分别为原、副边的直流电压，f为双有源全桥直流变换器的开关频率。
5.根据权利要求3所述的双有源全桥直流变换器功率换向的暂态控制方法，其特征在于，所述根据目标稳态功率以及初始稳态功率计算原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小以及原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小，包括：
通过公式
Figure FDA0002706689880000031
计算出原边电压与副边电压的目标稳态相位差的大小为θ2；
通过公式
Figure FDA0002706689880000032
计算出原边电压与副边电压的初始稳态相位差的大小为θ1；
其中，P2为目标稳态功率，P1为初始稳态功率，L为原边串联功率电感，n为高频变压器副边绕组与原边绕组的匝比，V1和V2分别为原、副边的直流电压，f为双有源全桥直流变换器的开关频率。
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