CN112491277A - 一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法，通过S1：电力电子变压器各模组采集电路数据；S2：计算最短死区时间限制条件；S3：通过判断开关频率与谐振频率的关系选用相应的公式计算最长死区时间限制条件；S4：对最短死区时间和最长死区时间求平均值，然后设置开关管死区时间，完成电力电子变压器效率的提高。本发明可以在各种负载或者输出电压条件下实现开关管的软开关，提高了系统的运行效率以及可靠性，具有很好的工程实用性。

Description

一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法
技术领域
本发明涉及高压电力电子变压器技术领域，一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法。
背景技术
随着能源互联网概念的提出和我国智能电网相关技术的发展以及推广应用，风能、光伏等可再生能源在现有的能源系统中的比例不断提高。在整个能源互联网中，由于分布式能源比例逐渐增加，对于电能传输管理中的可控要求不断提高，在兼容分布式可再生能源的同时需要对电网的运行状态以及电能质量进行监测与管理，对于整个电网的稳定性提出了更高的要求。目前整个能源系统逐渐趋于智能化，而传统的变压器无法实现上述的功能。
电力电子变压器通过电力电子拓扑进行不同电压等级电压转换，其中高频变压器实现电气隔离的功能。相比较于传统的电力变压器，电力电子变压器不仅能实现交直流转换，同时具有功率因数校正，补偿谐波、无功和继电保护的功能，正在不断发展。电力电子变压器可分为AC/DC、DC/DC以及输出侧各类设备三部分组成。目前DC/DC、部分拓扑可以分为两大类：移相全桥拓扑和谐振式拓扑。谐振式拓扑可以实现变压器原边开关管的零电压导通以及变压器副边开关管的零电流关断，同时谐振电容兼具隔直电容的功能，得到广泛的应用。
但目前的谐振式拓扑在不同的负载或者输出电压条件下，谐振腔内的电流波形会产生变化，可能会出现关断开关管在死区时间内寄生电容无法充电至电源电压，或者由于死区时间过长，即将导通的开关管出现漏源极电压放电至0后又重新充电至电源电压的情况，从而影响开关管零电压导通的实现，在一定负载或输出电压条件下可能会丧失软开关的优点，产生较大的损耗。同时，在开关管工作过程中，其触发脉冲死区时间设置的不合理还可能会产生上下桥臂直通的风险。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足和缺陷，提出了一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法，通过在电力电子变压器工作过程中实时监测各模组的状态变量，动态计算设置合适的开关管触发脉冲死区时间，在整个负载范围或者输出电压范围内均可以实现开关管的软开关，进一步提高了整个电力电子变压器的效率，本方法解决了在一定条件下电力电子变压器效率下降、可靠性不足的问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体包含以下步骤：
步骤1：电力电子变压器各模组控制器以采样频率fsam实时检测各自模组电路中的输入电压Uin、输出电压Uout、输出电流Iout、谐振电流Ir状态变量，进行电路数据采样；
步骤2：利用检测的谐振电流Ir状态变量计算得出电力电子变压器各模组的最短死区时间限制条件Tdmin；
步骤3：判断开关频率与谐振频率的大小关系，当开关频率小于谐振频率，选用最长死区时间计算公式A，得出电力电子变压器各模组的最长死区时间限制条件Tdmax；当开关频率大于于谐振频率，选用最长死区时间计算公式B，得出电力电子变压器各模组的最长死区时间限制条件Tdmax；
步骤4：各模组对所述步骤2和步骤3得出的最短死区时间限制条件和最长死区时间限制条件求取平均值确定开关管触发脉冲死区时间，确保各开关管能够实现零电压导通，最终提高电力电子变压器的效率。
进一步地，所述步骤1中的谐振电流Ir状态变量应在开关管关断时刻进行采样。
进一步地，所述步骤2中的最短死区时间限制条件Tdmin计算公式为：
Figure BDA0002797653450000021
其中，积分项为开关管漏源极电压从0充至电源电压Uin所需的电荷量，可以通过开关管数据手册获得。
进一步地，所述步骤3中的最长死区限制条件Tdmax在开关频率小于谐振频率时的计算公式A为：
Figure BDA0002797653450000022
Figure BDA0002797653450000023
所述公式中，所述fr1为谐振电容与谐振电感的谐振频率，fr2为谐振电容与谐振电感和励磁电感之和的谐振频率，Lm为励磁电感，n为变压器变比，fs为开关频率，VF为副边整流二极管的导通压降，Lr为谐振电感，R可由采样得到的输出电压Uout与输出电流Iout之比求得，所述公式共有Ta、Tb、Td、imax1、imax2、im、Vout 7个未知量，所述最长死区限制为Ta。
进一步地，所述步骤3中的最长死区限制条件Tdmax在开关频率大于谐振频率时的计算公式B为：
Figure BDA0002797653450000024
Figure BDA0002797653450000031
所述公式中，相应的变量定义与公式A中一致。所述公式共有Ta、Tb、imax、Vout四个未知量，所述最长死区限制为Ta与Tb之和。
进一步地，所述步骤2、步骤3、步骤4为控制器在线计算并设置死区时间，对于控制器算力不足的情况，可通过线下计算后以查表的形式设置死区时间。
本发明的有益技术效果：根据电力电子变压器运行状态实时检测并计算设置各模组开关管触发脉冲的死区时间，可以在各种负载或者输出电压条件下实现开关管的软开关，提高了系统的运行效率以及可靠性，具有很好地工程实用性。
附图说明
图1是本发明通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法的总体流程框图。
图2是本发明通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法实施例的DC/DC部分拓扑图。
图3是本发明通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法所适用的电力电子变压器结构示意图。
图4是本发明通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法实施例所应对的死区时间过长时失去开关管零电压导通优点时的电路波形图。
图5是本发明通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法实施例中开关频率小于谐振频率时的电路波形图。
图6是本发明通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法实施例中开关频率大于谐振频率时的电路波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
谐振式拓扑实现软开关的原理在于变换器工作过程中，电路中的电流滞后于电压，当上桥臂开关管关断时，电流在谐振腔中的流向不变，继续流经下桥臂的体二极管，从而在下桥臂开关管触发导通时可以实现零电压导通。
如图1所示，一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法，包括以下步骤：为了便于说明本发明整个过程，以半桥LLC拓扑为例进行说明，如图2所示。
步骤1：电力电子变压器各模组均具有独立的控制单元，电路拓扑结构如图3所示。当电力电子变压器处于运行状态时，各模组的控制单元以采样频率fsam实时检测各自模组电路中的输入电压Uin、输出电压Uout、输出电流Iout、谐振电流Ir进行采样，当fsam选用1倍开关频率时，采样触发时刻可设为上桥臂或者下桥臂关断时刻，当fsam选用2倍开关频率时，采样触发时刻应设为上桥臂和下桥臂关断时刻；
步骤2：在开关管关断时刻，电路中的谐振电流决定了开关管触发脉冲消失后开关管漏源极电压从0充至电源电压所花费的时间，利用检测的Ir状态变量计算得出电力电子变压器各模组的最短死区时间限制条件Tdmin，具体公式为：
Figure BDA0002797653450000041
上述公式中的积分项为开关管漏源极电压从0充至电源电压所需要的电荷，由于开关管MOSFET或者IGBT的寄生电容非线性程度强，此积分项不能直接用输出电容Coss与电源电压Uin求得，应通过数据手册中的数据或者曲线计算求出。在开关管关断时刻，电路中的谐振电流并不仅仅给关断开关管的寄生电容充电，还需要给即将导通开关管的寄生电容放电，所以需要对积分后的电荷乘以2倍。同时，在开关管寄生电容充放电这段时间内，谐振电流基本保持不变，所以可以用采样到的谐振电流Ir进行计算。
死区时间的设置应大于最短死区时间限制条件，否则死区时间内电流无法完成对开关管寄生电容的充放电，在即将导通的开关管触发脉冲到来时，其漏源极电压不为0，从而丧失了零电压导通的优点。
步骤3：上述步骤2为最短死区时间的计算方法，而死区时间同样不能设置为尽量大。死区时间过长时，谐振电流完成对开关管寄生电容的充放电，但谐振电流方向发生变化时，此部分谐振电流又会给即将导通的开关管的寄生电容充电，给已经关断开关管的寄生电容放电，这样同样会失去零电压导通的优点，如图4所示。
此部分实现对最长死区时间的动态计算。在开关频率小于或大于谐振频率两个工作区间内，谐振电流的形状有所不同，所以需要通过不同的公式进行计算。通过开关频率与谐振频率的大小关系选用相应的最长死区时间计算公式得出电力电子变压器各模组的最长死区时间限制条件Tdmax。当开关频率小于谐振频率时，相应的电路波形图如图5所示，计算公式A为：
Figure BDA0002797653450000042
Figure BDA0002797653450000051
上述公式第二方程组为第一方程组的变量进一步解释，fr1为谐振电容与谐振电感的谐振频率，fr1为谐振电容与谐振电感和励磁电感之和的谐振频率，Lm为励磁电感，n为变压器变比，fs为开关频率，VF为副边整流二极管的导通压降，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，R可由采样得到的输出电压Uout与输出电流Iout之比求得。
上述第一方程组共有7个方程，可以解得Ta、Tb、Td、imax1、imax2、im、Vout 7个未知量，而需要关注的量为Ta，即最大死区时间限制。
当开关频率大于谐振频率时，相应的电路波形图如图6所示，计算公式B为：
Figure BDA0002797653450000052
Figure BDA0002797653450000053
上述公式第二方程组为第一方程组的变量进一步解释，相应的变量定义与公式A中一致。
上述第一方程组共有4个方程，可以解得Ta、Tb、imax、Vout四个未知量，而需要关注的量为Ta与Tb之和，即最大死区时间限制。
步骤4：各模组通过所述步骤2和步骤3得出开关管触发脉冲最短死区时间限制条件和最长死区时间限制条件，将最短死区时间值与最长死区时间值求取平均，设定为最终的开关管触发脉冲死区时间，保证所有开关管的零电压导通，并可以在范围之外的恶劣工况留取足够的余量，提高整个系统的可靠性。
所述步骤2、步骤3、步骤4为控制器在线计算并设置死区时间，对于控制器算力不足的情况，可通过线下计算后以查表的形式设置死区时间。
综上所述，本发明公开了一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法，根据电力电子变压器运行状态实时检测并计算设置各模组开关管触发脉冲的死区时间，可以在各种负载或者输出电压条件下实现开关管地软开关，提高了系统的运行效率以及可靠性，具有很好地工程实用性。
除此之外，在DC/DC部分，整个系统在拓扑方面还可以做进一步的延伸。比如，拓扑不限于LLC、CLLLC、CLLC等单向或者双向、半桥或者全桥拓扑，均可以采用本发明所述的死区时间自适应方法提高效率，这应当属于本发明的保护范围。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：电力电子变压器各模组控制器以采样频率fsam实时检测各自模组电路中的输入电压Uin、输出电压Uout、输出电流Iout、谐振电流Ir状态变量，进行电路数据采样；
步骤2：利用检测的谐振电流Ir状态变量计算得出电力电子变压器各模组的最短死区时间限制条件Tdmin；
步骤3：判断开关频率与谐振频率的大小关系，当开关频率小于谐振频率，选用最长死区时间计算公式A，得出电力电子变压器各模组的最长死区时间限制条件Tdmax；当开关频率大于于谐振频率，选用最长死区时间计算公式B，得出电力电子变压器各模组的最长死区时间限制条件Tdmax；
步骤4：各模组对所述步骤2和步骤3得出的最短死区时间限制条件和最长死区时间限制条件求取平均值确定开关管触发脉冲死区时间，确保各开关管能够实现零电压导通，返回步骤1，重复运行，持续提高电力电子变压器效率。
2.根据权利要求1所述的一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法，其特征在于，所述步骤1中的谐振电流Ir状态变量在开关管关断时刻进行采样。
3.根据权利要求1所述的一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法，其特征在于，所述步骤2中的最短死区时间限制条件Tdmin计算公式为：
Figure FDA0002797653440000011
其中，积分项为开关管漏源极电压从0充至电源电压Uin所需的电荷量，可以通过开关管数据手册获得。
4.根据权利要求1所述的一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法，其特征在于，所述步骤3中的最长死区限制条件Tdmax在开关频率小于谐振频率时的计算公式A为：
Figure FDA0002797653440000012
Figure FDA0002797653440000013
公式中，fr1为谐振电容与谐振电感的谐振频率，fr2为谐振电容与谐振电感和励磁电感之和的谐振频率，Lm为励磁电感，n为变压器变比，fs为开关频率，VF为副边整流二极管的导通压降，Lr为谐振电感，R可由采样得到的输出电压Uout与输出电流Iout之比求得，所述公式共有Ta、Tb、Td、imax1、imax2、im、Vout 7个未知量，最长死区限制为Ta。
5.根据权利要求1所述的一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法，其特征在于，所述步骤3中的最长死区限制条件Tdmax在开关频率大于谐振频率时的计算公式B为：
Figure FDA0002797653440000021
Figure FDA0002797653440000022
所述公式中，相应的变量定义与公式A中一致，所述公式共有Ta、Tb、imax、Vout四个未知量，所述最长死区限制为Ta与Tb之和。
6.根据权利要求1所述的一种通过死区时间自适应提高电力电子变压器效率的方法，其特征在于，所述步骤2、步骤3、步骤4为控制器在线计算并设置死区时间，对于控制器算力不足的情况，可通过线下计算后以查表的形式设置死区时间。
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