CN112600437A - 一种双有源桥变换器及其开路故障冗余处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双有源桥变换器及其开路故障冗余处理方法，所述双有源桥变换器包括原边全桥电路、副边全桥电路以及连接原边全桥电路和副边全桥电路的高频变压器。所述方法通过双有源桥变换器来实现并包括步骤：在所述开路故障发生在原边全桥电路的情况下，确定发生故障的开关器件并封锁该开关器件的驱动脉冲，剩余开关器件采用移相控制，并限制双有源桥变换器的最大占空比；在所述开路故障发生在副边全桥电路的情况下，确定发生故障的开关器件并封锁该开关器件所在桥臂上所有开关器件的驱动脉冲，剩余开关器件采用移相控制，并限制双有源桥变换器的最大占空比。本发明具有能够在开路故障后继续传输功率、不会对剩余器件造成冲击等优点。

Description

一种双有源桥变换器及其开路故障冗余处理方法

技术领域

本发明涉及高速列车领域、电网领域、电动汽车领域和储能领域，具体来讲，涉及一种双有源桥变换器及其开路故障冗余处理方法。

背景技术

双有源桥变换器作为隔离型DC/DC的电力电子变换器，具有软开关、电气隔离、高频化等优点，在电网变流器、高铁牵引系统、高铁辅助供电系统、电动汽车牵引、储能领域有广泛的应用。双有源桥变换器可以将输入直流电压转换成高频交流电压，通过高频变压器隔离，再经过副边整流将高频交流电压转换为直流电压输出，可以有效减小变换器体积，提升效率。双有源桥变换器能够通过改变移相值，的实现功率双向流动，而且功率控制稳定，在对功率控制要求高的双向流动场合更受欢迎。

对于电力电子变换器而言，在运行过程中其开关器件普遍会由于环境变化、暂态冲击、过负荷运行、器件设计缺陷以及热循环等问题而损坏。单个开关器件的故障也经常会引起连锁反应，在电路中产生不可控的电压电流，导致其余元器件的进一步故障，最终引起整个电气设备停机。因此，电力电子变换器通常需要故障冗余方法保证可靠运行。故障冗余方法可以在故障后容忍或排除故障，使变换器重新恢复正常运行模式。开路故障是故障中经常发生的一类，由于芯片故障、驱动线断线、驱动信号异常或开关器件内部损坏，均有可能导致开关器件的开路故障发生。然而，目前针对单个双有源桥变换器没有较好的故障冗余方法，开路故障后，双有源桥变换器面临故障停机的风险。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够实现故障冗余运行的双有源桥变换器。又如，本发明的另一目的在于提供一种能够进行故障冗余处理、避免设备停机、提高变换器运行可靠性的双有源桥变换器开路故障冗余处理方法。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种双有源桥变换器。所述双有源桥变换器包括原边全桥电路、副边全桥电路以及设置在原边全桥电路和副边全桥电路之间的高频变压器，其中，

所述原边全桥电路包括与直流电压输入端电连接且彼此并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上串联有第一开关器件和第二开关器件，并且所述第一桥臂上还设置有与第一开关器件反并联的第一二极管以及与第二开关器件反并联的第二二极管；所述第二桥臂上串联有第三开关器件和第四开关器件，并且所述第二桥臂上还设置有与第三开关器件反并联的第三二极管以及与第四开关器件反并联的第四二极管；

所述副边全桥电路包括与直流电压输出端电连接且彼此并联的第三桥臂和第四桥臂，所述第三桥臂上串联有第五开关器件和第六开关器件，并且所述第三桥臂上还设置有与第五开关器件反并联的第五二极管以及与第六开关器件反并联的第六二极管；所述第四桥臂上串联有第七开关器件和第八开关器件，并且所述第四桥臂上还设置有与第七开关器件反并联的第七二极管以及与第八开关器件反并联的第八二极管；

所述高频变压器的第一输入端与第一桥臂位于第一开关器件和第二开关器件之间部分桥臂电连接，所述高频变压器的第二输入端与第二桥臂位于第三开关器件和第四开关器件之间部分桥臂电连接，所述高频变压器的第一输出端与第三桥臂位于第五开关器件和第六开关器件之间部分桥臂电连接，所述高频变压器的第二输出端与第四桥臂位于第七开关器件和第八开关器件之间部分桥臂电连接。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述双有源桥变换器还可包括：

判断模块，所述判断模块被配置为在双有源桥变换器发生开路故障后，判断故障发生在原边全桥电路还是副边全桥电路以及发生故障的开关器件的位置；

控制器，所述控制器被配置为在所述开路故障发生在原边全桥电路的情况下，封锁发生故障的开关器件的驱动脉冲，并对剩余开关器件进行移相控制，限制双有源桥变换器的最大占空比；在所述开路故障发生在副边全桥电路的情况下，封锁发生故障的开关器件所在桥臂上所有的开关器件的驱动脉冲，并对剩余开关器件管进行移相控制，限制双有源桥变换器的最大占空比。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述判断模块分别与原边全桥电路和副边全桥电路上的各个开关器件电连接并监控各个开关器件的工作状态是否正常，所述控制器分别与原边全桥电路和副边全桥电路上的各个开关器件电连接并能够控制各个开关器件的驱动脉冲，当有开关器件发生故障时，判断模块内置的逻辑程序能够根据发生故障的开关器件的位置判断出需要封锁驱动脉冲的开关器件的数目和位置，并将判断结果发送给所述控制器，所述控制器接收判断模块发出的信号后将对应的开关器件的驱动脉冲封锁。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述高频变压器的第一输入端与所述第一桥臂的中点电连接，所述高频变压器的第二输入端与所述第二桥臂的中点电连接，所述高频变压器的第一输出端与所述第三桥臂的中点电连接，所述高频变压器的第二输出端与所述第四桥臂的中点电连接。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述双有源桥变换器还可包括电感，所述电感设置在所述高频变压器的第一输入端与第一桥臂相连的导线上。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述高频变压器的变比可为0.1~10。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述双有源桥变换器的额定功率可为1~200KW，额定电流可为0~200A，额定电压为可10~3600V。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，在发生开路故障后，所述双有源桥变换器还能传输0~77.8%的额定功率。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述双有源桥变换器的占空比可以为40~60%。

本发明另一方面提供了一种双有源桥变换器开路故障冗余处理方法。所述开路故障冗余处理方法通过如上任意一项所述双有源桥变换器来实现，且所述方法包括步骤：

双有源桥变换器发生故障后，判断故障发生在原边全桥电路还是副边全桥电路；

在所述开路故障发生在原边全桥电路的情况下，确定发生故障的开关器件位置并封锁对应的故障开关器件的驱动脉冲，剩余开关器件采用移相控制，并限制双有源桥变换器的最大占空比；

在所述开路故障发生在副边全桥电路的情况下，确定发生故障的开关器件位置并封锁故障开关器件所在桥臂上的两个开关器件的驱动脉冲，剩余开关器件采用移相控制，并限制双有源桥变换器的最大占空比。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述移相控制的相位差D的取值范围可为（0，0.5）。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述移相控制的相位差D可表示如下：

0＜D＜（2ku _o -u _in ）/4ku _o ，

其中，k为高频变压器变比，u _o 为双有源桥变换器输出电压，u _in 为双有源桥变换器输入电压。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，当所述开路故障发生位置为原边全桥电路第一开关器件时，封锁第一开关器件的驱动脉冲；

第二开关器件和第三开关器件工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且第四开关器件的工作状态与第二开关器件和第三开关器件的工作状态完全反向；

第五开关器件和第八开关器件工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且第六开关器件、第七开关器件的工作状态与第五开关器件和第八开关器件的工作状态完全反向，则第八开关器件与第四开关器件之间存在相位差D_a，利用所述相位差进行移相变换，以控制双有源桥变换器功率传输；

同理，当开路故障发生位置为原边全桥电路第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件中任意一个时，采用同样的方法进行开路故障冗余处理。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，当所述开路故障为副边全桥电路上的第五开关器件时，同时将第五开关器件以及与第五开关器件串联的第六开关器件的驱动脉冲封锁；

第七开关器件与第八开关器件的工作状态完全反向且第七开关器件的驱动脉冲为50%占空比方波；

第二开关器件和第三开关器件工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且与第一开关器件、第四开关器件的工作状态与第二开关器件和第三开关器件的工作状态完全反向；

则第八开关器件与第四开关器件之间存在相位差D_b，利用所述相位差进行移相变换，以控制双有源桥变换器功率传输；

同理，当开路故障发生位置为副边全桥电路第六开关器件、第七开关器件和第八开关器件中任意一个时，采用同样的方法进行开路故障冗余处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括以下内容中至少一项：

（1）本发明提供了一种双有源桥式变换器，在开路故障后，依然可以继续传输功率，防止因为开路故障停机导致无法继续工作；

（2）本发明的双有源桥式变换器故障后最多还能传输7/9的额定功率，传输功率损失小；

（3）本发明提供了一种双有源桥式变换器开路故障冗余处理方法，采用该故障冗余方法，双有源桥变换器的最大电流不会超过额定电流，因此不会对电路中剩余器件造成冲击，防止电路发生损坏。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的双有源桥变换器电路结构示意图；

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的双有源桥变换器开路故障冗余处理方法流程示意图；

图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的原边全桥电路发生开路故障的冗余处理后等效电路图；

图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的副边全桥电路发生开路故障的冗余处理后等效电路图；

图5示出了图3中等效电路的工作波形与电气量波形示意图；

图6示出了图4的等效电路的工作波形与电气量波形示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例来详细说明本发明的双有源桥变换器及其开路故障冗余处理方法。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的双有源桥变换器电路结构示意图；图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的双有源桥变换器开路故障冗余处理方法流程示意图；图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的原边全桥电路发生开路故障的冗余处理后等效电路图；图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的副边全桥电路发生开路故障的冗余处理后等效电路图；图5示出了图3中等效电路的工作波形与电气量波形示意图；图6示出了图4的等效电路的工作波形与电气量波形示意图。

在本发明的一个示例性实施例中，双有源桥变换器主要包括原边全桥电路、副边全桥电路以及将原边全桥电路和副边全桥电路连接的高频变压器。

所述原边全桥电路包括与直流电压输入端电连接且彼此并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上串联有第一开关器件和第二开关器件，并且所述第一桥臂上还设置有与第一开关器件反并联的第一二极管以及与第二开关器件反并联的第二二极管；所述第二桥臂上串联有第三开关器件和第四开关器件，并且所述第二桥臂上还设置有与第三开关器件反并联的第三二极管以及与第四开关器件反并联的第四二极管。具体来讲，如图1中，原边全桥电路主要包括第一开关器件T₁、第二开关器件T₂、第三开关器件T₃和第四开关器件T₄以及分别与第一开关器件T₁、第二开关器件T₂、第三开关器件T₃和第四开关器件T₄反并联的第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄。第一开关器件T₁和第二开关器件T₂串联构（方向相同）成第一桥臂，第三开关器件T₃和第四开关器件T₄串联（方向相同）构成第二桥臂，第一桥臂和第二桥臂彼此并联且与输入直流电压u _in 两端连接构成原边全桥电路。

副边全桥电路包括与直流电压输出端电连接且彼此并联的第三桥臂和第四桥臂，所述第三桥臂上串联有第五开关器件和第六开关器件，并且所述第三桥臂上还设置有与第五开关器件反并联的第五二极管以及与第六开关器件反并联的第六二极管；所述第四桥臂上串联有第七开关器件和第八开关器件，并且所述第四桥臂上还设置有与第七开关器件反并联的第七二极管以及与第八开关器件反并联的第八二极管。具体来讲，如图1中，副边全桥电路主要包括第五开关器件T₅、第六开关器件T₆、第七开关器件T₇和第八开关器件T₈以及分别与第五开关器件T₅、第六开关器件T₆、第七开关器件T₇和第八开关器件T₈反并联的第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇和第八二极管D₈。第五开关器件T₅和第六开关器件T₆串联（方向相同）构成第三桥臂，第七开关器件T₇和第八开关器件T₈串联（方向相同）构成第四桥臂，第三桥臂和第四桥臂彼此并联且与输出直流电压u _o 两端连接构成副边全桥电路。

高频变压器的第一输入端与第一桥臂位于第一开关器件和第二开关器件之间部分桥臂电连接，所述高频变压器的第二输入端与第二桥臂位于第三开关器件和第四开关器件之间部分桥臂电连接，所述高频变压器的第一输出端与第三桥臂位于第五开关器件和第六开关器件之间部分桥臂电连接、所述高频变压器的第二输出端与第四桥臂位于第七开关器件和第八开关器件之间部分桥臂电连接。例如，所述高频变压器的第一输入端与所述第一桥臂的中点电连接，所述高频变压器的第二输入端与所述第二桥臂的中点电连接，所述高频变压器的第一输出端与所述第三桥臂的中点电连接，所述高频变压器的第二输出端与所述第四桥臂的中点电连接。具体来讲，如图1所示，高频变压器的第一输入端通过导线与第一桥臂中点A（即第一开关器件T₁和第二开关器件T₂之间）连接，高频变压器的第二输入端通过导线与第二桥臂中点B（即第三开关器件T₃和第四开关器件T₄之间）连接。同时，高频变压器第一输出端通过导线与第三桥臂中点a（即第五开关器件T₅和第六开关器件T₆之间）连接，高频变压器第二输出端通过导线与第三桥臂中点b（即第七开关器件T₇和第八开关器件T₈之间）连接。这里，高频变压器的变比为k。直流电压输入端的电压为u _in ，直流电压输出端的电压为u _o ，副边全桥电路的输出电流值为i _o 。将高频变压器的输入端和输出端分别与原边全桥电路、副边全桥电路的桥臂中点连接，能够通过控制原边全桥电路桥臂开关的动作实现原边桥臂中点产生点位变化，从而在副边全桥电路桥臂中点也产生电位变化，实现输入电压和输出电压的转化。

在本实施例中，所述双有源桥变换器还可在上述示例性实施例的基础上进一步包括：

判断模块，所述判断模块被配置为在双有源桥变换器发生开路故障后，判断故障发生在原边全桥电路还是副边全桥电路以及发生故障的开关器件的位置；

控制器，所述控制器被配置为在所述开路故障发生在原边全桥电路的情况下，封锁发生故障的开关器件的驱动脉冲，并对剩余开关器件进行移相控制，限制双有源桥变换器的最大占空比；在所述开路故障发生在副边全桥电路的情况下，封锁发生故障的开关器件所在桥臂上所有的开关器件的驱动脉冲，并对剩余开关器件管进行移相控制，限制双有源桥变换器的最大占空比。具体来讲，所述判断模块分别与原边全桥电路和副边全桥电路上的各个开关器件电连接并监控各个开关器件的工作状态是否正常，所述控制器分别与原边全桥电路和副边全桥电路上的各个开关器件电连接并能够控制各个开关器件的驱动脉冲，当有开关器件发生故障时，判断模块内置的逻辑程序能够根据发生故障的开关器件的位置判断出需要封锁驱动脉冲的开关器件的数目和位置，并将判断结果发送给所述控制器，所述控制器接收判断模块发出的信号后将对应的开关器件的驱动脉冲封锁。

在双有源桥式变换器的工作过程中，通过控制原边桥臂与副边桥臂的上开关器件在原边全桥电路第一桥臂和第二桥臂的中点产生方波电压u _AB，在副边全桥电第三桥臂和第四桥臂中点产生方波电压u _ab，并控制原边全桥电路和副边全桥电路的占空比均为50%。副边全桥电路的脉冲相较原边全桥电路的脉冲有一定的相移，通过控制副边全桥电路脉冲移相角度，即可控制电路的功率传输大小。

在本实施例中，所述双有源桥变换器还可包括电感，所述电感设置在连接所述高频变压器的第一输入端与第一桥臂的位于第一开关器件和第二开关器件之间的部分桥臂的导线上。这里，双有源变换器本身可包含一个电感，用于功率传输过程的能量储存。在设计时，该电感可以被变压器的漏感取代，即将电感集成到变压器中。如果该电感感值过大，导致变压器制作困难时，可以通过外加电感的方式实现。

在本实施例中，所述高频变压器的变比可为0.1~10。这里，变比指电压比，是变换电压设备一次绕组与二次绕组之间的电压比。变比不宜过大或过小，当变比过大或过小会导致变压器制造困难。所述开关器件可为IGBT和Mosfet，所述二极管可以为体二极管或者肖特基二极管。

在本实施例中，所述双有源桥变换器的额定功率可为1~200KW，额定电流可为0~200A，额定电压可为10~3600V。

在本实施例中，在发生开路故障后，所述双有源桥变换器还能传输0~77.8%的额定功率。具体来讲，发生开路故障后，如果不进行冗余保护，则双有源桥变换器传输功率为0，直接停机。若进行开路故障冗余处理，则双有源桥变换器的最大传输功率可为额定功率的77.8%（即7/9额定功率）。

在本实施例中，所述双有源桥变换器的占空比可为40~60%。这里，通常将占空比设置在50%，这样双有源桥变换器的控制简单，操作性好。

在本发明的另一个示例性实施例中，双有源桥变换器开路故障冗余处理方法可通过上述一个示例性实施例所述的双有源桥变换器来实现，且所述方法包括步骤：

双有源桥变换器发生故障后，判断故障发生在原边全桥电路还是副边全桥电路。具体来讲如图1和图2所示，当开路故障发生后，首先判断故障发生具体位置。当发生故障的开关器件为第一开关器件T₁、第二开关器件T₂、第三开关器件T₃、第四开关器件T₄中任意一个时，判断故障为原边故障，即故障发生在原边全桥电路。当发生故障的开关器件为第五开关器件T₅、第六开关器件T₆、第七开关器件T₇、第八开关器件T₈中任意一个时，判断故障为副边故障，即故障发生在副边全桥电路。

在所述开路故障发生在原边全桥电路的情况下，确定发生故障的开关器件位置并封锁对应的故障开关器件的驱动脉冲，剩余开关器件采用移相控制，并限制双有源桥变换器的最大占空比。具体来讲，当故障为原边故障时，将发生故障的开关器件的驱动脉冲封锁，剩余开关器件采用移相控制。例如，

当所述开路故障发生位置为原边全桥电路第一开关器件时，封锁第一开关器件的驱动脉冲；控制第二开关器件和第三开关器件工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且第四开关器件的工作状态与第二开关器件和第三开关器件的工作状态完全反向；控制第五开关器件和第八开关器件工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且第六开关器件、第七开关器件的工作状态与第五开关器件和第八开关器件的工作状态完全反向，则第八开关器件与第四开关器件之间存在相位差D_a，利用所述相位差进行移相变换，以控制双有源桥变换器功率传输；同理，当开路故障发生位置为原边全桥电路第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件中任意一个时，采用同样的方法进行开路故障冗余处理。这里，所述第八开关器件与第四开关器件之间相位差D_a的取值范围可为（0，0.5）。具体来讲，如图3和图5中所示，当第一开关器件T₁发生故障时，封锁第一开关器件T₁的脉冲，此时，第二开关器件T₂和第三开关器件T₃的工作状态相同，且驱动脉冲均为50%占空比方波，第四开关器件T₄的工作状态第二开关器件T₂和第三开关器件T₃完全反向。副边全桥电路上第五开关器件T₅、第六开关器件T₆、第七开关器件T₇和第八开关器件T₈均正常工作，其中，第五开关器件T₅和第八开关器件T₈工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且第六开关器件T₆和第七开关器件T₇工作状态与第五开关器件T₅和第八开关器件T₈完全反向。封锁第一开关器件T₁脉冲后，同时对双有源桥变换器的最大占空比进行限制。第八开关器件T₈与第四开关器件T₄的工作状态存在相位差D_a（如图5中所示），称作双有源桥变换器移相值，用于控制双有源桥变换器功率传输。

图5示出了图3中等效电路的工作波形与电气量波形示意图。其中，T₂ ^，和T₃ ^，表示第二开关器件T₂和第三开关器件T₃的开关状态相同且与第四开关器件T₄相反，T₆ ^，和T₇ ^，表示第六开关器件T₆和第七开关器件T₇开关状态相同且与第五开关器件T₅和第八开关器件T₈状态相反。如图5中所示，从上到下：

第一个波形代表了第一开关器件T₁脉冲被封锁，原边全桥电路仅有第二开关器件T₂、第三开关器件T₃、第四开关器件T₄正常工作。在第一个波形高电平时，第四开关器件T₄开通、第二开关器件T₂和第三开关器件T₃截止；在低电平时第二开关器件T₂和第三开关器件T₃开通，第四开关器件T₄截止。

第二个波形代表了副边全桥电路第五开关器件T₅、第六开关器件T₆、第七开关器件T₇、第八开关器件T₈正常工作，在第二个波形高电平时，第五开关器件T₅和第八开关器件T₈开通、第六开关器件T₆和第七开关器件T₇截止；在低电平时第六开关器件T₆和第七开关器件T₇开通、第五开关器件T₅和第八开关器件T₈截止。移相值表示的是第八开关器件T₈开通与第四开关器件T₄开通的相位差。i _Lr 表示的是电感电流波形，i _o 代表的是输出电流的波形，可以看到，输出电流i _o 的波形在第五开关器件T₅和第八开关器件T₈开通的时候与电感电流i _Lr 的大小和方向均是相同的，在第六开关器件T₆和第七开关器件T₇开通的时候与i _Lr 的方向是相反的。i _o 的平均面积可以表示传输到副边全桥电路的能量。可以看到i _o 平均面积为正，说明双有源桥变换器在发生开路故障后依然能够传输能量。

此时原边全桥电路第一开关器件T₁发生开路故障冗余处理完成，双有源桥变换器可以继续工作。双有源桥变换器的电感电流i _Lr 与输出电流i _o 的最大值均不超过系统要求的最大值。同理，第二开关器件T₂、第三开关器件T₃、第四开关器件T₄发生故障后均采用上述方法进行故障冗余处理，在此不再赘述。

在所述开路故障发生在副边全桥电路的情况下，确定发生故障的开关器件位置并封锁故障开关器件所在桥臂上的两个开关器件的驱动脉冲，剩余开关器件采用移相控制，并限制双有源桥变换器的最大占空比。例如，当所述开路故障为副边全桥电路上的第五开关器件时，同时将第五开关器件以及与第五开关器件串联的第六开关器件的驱动脉冲封锁；控制第七开关器件与第八开关器件的工作状态完全反向且第七开关器件的驱动脉冲为50%占空比方波；控制第二开关器件和第三开关器件工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且与第一开关器件、第四开关器件的工作状态与第二开关器件和第三开关器件的工作状态完全反向；则第八开关器件与第四开关器件之间存在相位差D_b，利用所述相位差进行移相变换，以控制双有源桥变换器功率传输；同理，当开路故障发生位置为副边全桥电路第六开关器件、第七开关器件和第八开关器件中任意一个时，采用同样的方法进行开路故障冗余处理。这里，所述第八开关器件与第四开关器件工作状态之间相位差D_b的取值范围可为（0，0.5）。具体来讲，如图4和图6中所示，当发生故障的开关器件为第五开关器件T₅或者第六开关器件T₆时，同时将第五开器件T₅和第六开关器件T₆的驱动脉冲封锁，剩余开关器件T₇和T₈继续工作。第七开关器件T₇驱动脉冲为50%占空比方波，且与T₈工作状态完全反向。此时，原边全桥电路上第二开关器件T₂和第三开关器件T₃工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且第一开关器件T₁和第四开关器件T₄工作状态与第二开关器件T₂和第三开关器件T₃完全反向。此时双有源桥变换器移相值D_b的值为第八开关器件T₈与第四开关器件T₄之间的相位差，D_b的取值范围为（0，0.5）。这里，原边故障时的相位差D_a与副边故障时的相位差D_b相同。第五开关器件T₅和第六开关器件T₆的驱动脉冲封锁后，副边全桥电路第五开关器件T₅开路故障冗余处理完成，双有源桥变换器可以继续工作。

图6示出了图4的等效电路的工作波形与电气量波形示意图。其中，T₂ ^，和T₃ ^，表示第二开关器件T₂和第三开关器件T₃的状态相同且与第一开关器件T₁和第四开关器件T₄状态相反，T₇ ^，表示第七开关器件T₇与第八开关器件T₈状态相反。如图6中所述，从上到下：

第一个波形代表了原边全桥电路第一开关器件T₁、第二开关器件T₂、第三开关器件T₃、第四开关器件T₄正常工作。在第一个波形高电平时，第一开关器件T₁和第四开关器件T₄开通、第二开关器件T₂和第三开关器件T₃截止；在低电平时，第二开关器件T₂和第三开关器件T₃开通、第一开关器件T₁和第四开关器件T₄截止。

第二个波形代表了副边全桥电路第五开关器件T₅和第六开关器件T₆脉冲封锁，第七开关器件T₇和第八开关器件T₈正常工作。在第二个波形高电平时，第八开关器件T₈开通、第七开关器件T₇截止；在低电平时，第七开关器件T₇开通、第八开关器件T₈截止。移相值表示的是第八开关器件T₈开通与第四开关器件T₄开通的相位差。i _Lr 表示的是电感电流波形，i _o 代表的是输出电流的波形。i _o 的平均面积可以表示传输到副边全桥电路的能量。可以看到i _o 平均面积为正，说明双有源桥变换器在发生开路故障后依然能够传输能量。

此时副边全桥电路第五开关器件T₅发生开路故障冗余处理完成，双有源桥变换器可以继续工作。双有源桥变换器的电感电流i _Lr 与输出电流i _o 的最大值均不超过系统要求的最大值。同理，第六开关器件T₆、第七开关器件T₇、第八开关器件T₈发生故障后均采用上述方法进行故障冗余处理，在此不再赘述。

在本实施例中，所述移相控制的相位差D的取值范围即可为（0，0.5）。所述移相控制的相位差D可表示如下：

0＜D＜（2ku _o -u _in ）/4ku _o =0.5-u _in /4ku _o ，

其中，k为高频变压器变比，u _o 为双有源桥变换器输出电压，u _in 为双有源桥变换器输入电压。当变比k的取值较大时，D的最大值无限接近0.5，因此相位差D的取值范围为（0，0.5）。

综上所述，本发明的有益效果可包括一下内容中至少一项：

（1）本发明提供了一种双有源桥式变换器，在开路故障后，依然可以继续传输功率，防止因为开路故障停机导致无法继续工作；

（2）本发明的双有源桥式变换器故障后最多还能传输7/9的额定功率，传输功率损失小；

（3）本发明提供了一种双有源桥式变换器开路故障冗余处理方法，采用该故障冗余方法，双有源桥变换器的最大电流不会超过额定电流，因此不会对电路中剩余器件造成冲击，防止电路发生损坏。

尽管上面已经结合附图和示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (14)

1.一种双有源桥变换器，其特征在于，所述双有源桥变换器包括原边全桥电路、副边全桥电路以及设置在原边全桥电路和副边全桥电路之间的高频变压器，其中，

所述原边全桥电路包括与直流电压输入端电连接且彼此并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上串联有第一开关器件和第二开关器件，并且所述第一桥臂上还设置有与第一开关器件反并联的第一二极管以及与第二开关器件反并联的第二二极管；所述第二桥臂上串联有第三开关器件和第四开关器件，并且所述第二桥臂上还设置有与第三开关器件反并联的第三二极管以及与第四开关器件反并联的第四二极管；

所述副边全桥电路包括与直流电压输出端电连接且彼此并联的第三桥臂和第四桥臂，所述第三桥臂上串联有第五开关器件和第六开关器件，并且所述第三桥臂上还设置有与第五开关器件反并联的第五二极管以及与第六开关器件反并联的第六二极管；所述第四桥臂上串联有第七开关器件和第八开关器件，并且所述第四桥臂上还设置有与第七开关器件反并联的第七二极管以及与第八开关器件反并联的第八二极管；

所述高频变压器的第一输入端与第一桥臂位于第一开关器件和第二开关器件之间部分桥臂电连接，所述高频变压器的第二输入端与第二桥臂位于第三开关器件和第四开关器件之间部分桥臂电连接，所述高频变压器的第一输出端与第三桥臂位于第五开关器件和第六开关器件之间部分桥臂电连接，所述高频变压器的第二输出端与第四桥臂位于第七开关器件和第八开关器件之间部分桥臂电连接。

2.根据权利要求1所述的双有源桥变换器，其特征在于，所述双有源桥变换器还包括：

判断模块，所述判断模块被配置为在双有源桥变换器发生开路故障后，判断故障发生在原边全桥电路还是副边全桥电路以及发生故障的开关器件的位置；

控制器，所述控制器被配置为在所述开路故障发生在原边全桥电路的情况下，封锁发生故障的开关器件的驱动脉冲，并对剩余开关器件进行移相控制，限制双有源桥变换器的最大占空比；在所述开路故障发生在副边全桥电路的情况下，封锁发生故障的开关器件所在桥臂上所有的开关器件的驱动脉冲，并对剩余开关器件管进行移相控制，限制双有源桥变换器的最大占空比。

3.根据权利要求2所述的双有源桥变换器，其特征在于，所述判断模块分别与原边全桥电路和副边全桥电路上的各个开关器件电连接并监控各个开关器件的工作状态是否正常，所述控制器分别与原边全桥电路和副边全桥电路上的各个开关器件电连接并能够控制各个开关器件的驱动脉冲，当有开关器件发生故障时，判断模块内置的逻辑程序能够根据发生故障的开关器件的位置判断出需要封锁驱动脉冲的开关器件的数目和位置，并将判断结果发送给所述控制器，所述控制器接收判断模块发出的信号后将对应的开关器件的驱动脉冲封锁。

4.根据权利要求1所述的双有源桥变换器，其特征在于，所述高频变压器的第一输入端与所述第一桥臂的中点电连接，所述高频变压器的第二输入端与所述第二桥臂的中点电连接，所述高频变压器的第一输出端与所述第三桥臂的中点电连接，所述高频变压器的第二输出端与所述第四桥臂的中点电连接。

5.根据权利要求1所述的双有源桥变换器，其特征在于，所述双有源桥变换器还包括电感，所述电感设置在所述高频变压器的第一输入端与第一桥臂相连的导线上。

6.根据权利要求1所述的双有源桥变换器，其特征在于，所述高频变压器的变比为0.1~10。

7.根据权利要求1所述的双有源桥变换器，其特征在于，所述双有源桥变换器的额定功率为1~200KW，额定电流为0~200A，额定电压为10~3600V。

8.根据权利要求1所述的双有源桥变换器，其特征在于，在发生开路故障后，所述双有源桥变换器还能传输0~77.8%的额定功率。

9.根据权利要求1所述的双有源桥变换器，其特征在于，所述双有源桥变换器的占空比为40~60%。

10.一种双有源桥变换器开路故障冗余处理方法，其特征在于，所述开路故障冗余处理方法通过如权利要求1~9任意一项所述双有源桥变换器来实现，且所述方法包括步骤：

双有源桥变换器发生故障后，判断故障发生在原边全桥电路还是副边全桥电路；

在所述开路故障发生在原边全桥电路的情况下，确定发生故障的开关器件位置并封锁对应的故障开关器件的驱动脉冲，剩余开关器件采用移相控制，并限制双有源桥变换器的最大占空比；

在所述开路故障发生在副边全桥电路的情况下，确定发生故障的开关器件位置并封锁故障开关器件所在桥臂上的两个开关器件的驱动脉冲，剩余开关器件采用移相控制，并限制双有源桥变换器的最大占空比。

11.根据权利要求10所述的双有源桥变换器开路故障冗余处理方法，其特征在于，所述移相控制的相位差D的取值范围为（0，0.5）。

12.根据权利要求10所述的双有源桥变换器开路故障冗余处理方法，其特征在于，所述移相控制的相位差D表示如下：

0＜D＜（2ku _o -u _in ）/4ku _o ，

其中，k为高频变压器变比，u _o 为双有源桥变换器输出电压，u _in 为双有源桥变换器输入电压。

13.根据权利要求10所述的双有源桥变换器开路故障冗余处理方法，其特征在于，当所述开路故障发生位置为原边全桥电路第一开关器件时，封锁第一开关器件的驱动脉冲；

第二开关器件和第三开关器件工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且第四开关器件的工作状态与第二开关器件和第三开关器件的工作状态完全反向；

第五开关器件和第八开关器件工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且第六开关器件、第七开关器件的工作状态与第五开关器件和第八开关器件的工作状态完全反向，则第八开关器件与第四开关器件之间存在相位差D_a，利用所述相位差进行移相变换，以控制双有源桥变换器功率传输；

同理，当开路故障发生位置为原边全桥电路第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件中任意一个时，采用同样的方法进行开路故障冗余处理。

14.根据权利要求10所述的双有源桥变换器开路故障冗余处理方法，其特征在于，当所述开路故障为副边全桥电路上的第五开关器件时，同时将第五开关器件以及与第五开关器件串联的第六开关器件的驱动脉冲封锁；

第七开关器件与第八开关器件的工作状态完全反向且第七开关器件的驱动脉冲为50%占空比方波；

第二开关器件和第三开关器件工作状态相同，驱动脉冲均为50%占空比方波，且与第一开关器件、第四开关器件的工作状态与第二开关器件和第三开关器件的工作状态完全反向；

则第八开关器件与第四开关器件之间存在相位差D_b，利用所述相位差进行移相变换，以控制双有源桥变换器功率传输；

同理，当开路故障发生位置为副边全桥电路第六开关器件、第七开关器件和第八开关器件中任意一个时，采用同样的方法进行开路故障冗余处理。

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