CN112769339B - 一种串并联双有源桥式变换器及调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串并联双有源桥式变换器及调制方法，变压器左侧通过构建两组输入并联的半桥DAB变换器模块，右侧采用串联结构，共用了一组半桥DAB变换器模块电感，减少了开关器件和元件的数量，可以实现宽范围电压输出，由于采用输入并联两个模块的设计，可以减小单个模块的电压应力，减小了设备体积尺寸。

Description

一种串并联双有源桥式变换器及调制方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种串并联双有源桥式变换器及调制方法。
背景技术
随着现代社会的发展，双有源桥式变换器(Dual Active Bridge,DAB)已经在电动汽车充电桩、航空航天领域、分布式能源系统等领域得到了广泛应用。相比于传统的单向变换器，DAB变换器可以实现能量的双向流动，而不需要设置两个单向变换器，大大地节约了设备成本和空间，并同时实现了电气隔离。DAB变换器具有宽增益的特性，在较大范围下可以实现软开关，实现了高能量效率和高能量密度。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种串并联双有源桥式变换器及调制方法实现宽范围电压输出，并可以进行“定一调一”应用在特定窄范围输出场景，减小了器件的电压应力和设备体积尺寸
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种串并联双有源桥式变换器，包括：电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、变压器T1、变压器T2、电感L、开关管S5、开关管S6、电容C3、电容C4和电容Co；
所述开关管S1的漏极分别与开关管S3的漏极和电容C1的一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的正输入端；所述开关管S1的源极分别与变压器T1原边的一端和开关管S2的漏极连接；所述开关管S2的源极分别与开关管S4的源极和电容C2的一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的负输入端；所述开关管S3的源极分别与开关管S4的漏极和变压器T2原边的一端连接；所述电容C1的另一端分别与电容C2的另一端、变压器T1原边的另一端和变压器T2原边的另一端连接；所述变压器T1副边的一端与电感L的一端连接，其副边的另一端与变压器T2副边的一端连接；所述开关管S5的源极分别与电感L的另一端和开关管S6的漏极连接，其漏极分别与电容C3的一端和电容Co的一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的正输出端；所述开关管S6的源极分别与电容C4的一端和电容Co的另一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的负输出端；所述电容C3的另一端分别与电容C4的另一端和变压器T2副边的另一端连接；所述开关管S1和开关管S2构成第一半桥DAB变换器模块；所述开关管S3和开关管S4构成第二半桥DAB变换器模块；所述开关管S5和开关管S6构成第三半桥DAB变换器模块。
进一步地，所述串并联双有源桥式变换器存在8种模态：
模态一：第一时间段[t0～t1]中，在t0时刻，开关管S2关断，开关管S1导通，开关管S4和开关管S6保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的源极到漏极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S4的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态一中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000021
t1时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000022
其中，iL(t0)为t0时刻电感L的电流值，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，t为第一时间段[t0～t1]中的时间点，L为电感L的值，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比；
模态二：第二时间段[t1～t2]中，在t1时刻，开关管S4关断，开关管S3导通，开关管S1和开关管S6保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的源极到漏极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的源极到漏极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态二中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000031
t2时刻的电流值为0，其中，iL(t1)为t1时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第二时间段[t1～t2]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压；
模态三：第三时间段[t2～t3]中，在t2时刻，开关管S1、开关管S3和开关管S6保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的漏极到源极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态三中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000032
t3时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000033
其中，iL(t2)为t2时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第三时间段[t2～t3]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，TH为半个开关周期；
模态四：第四时间段[t3～t4]中，在t3时刻，开关管S6关断，开关管S5导通，开关管S1和开关管S3保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的漏极到源极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态四中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000041
t4时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000042
其中，iL(t3)为t3时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第四时间段[t3～t4]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比；
模态五：第五时间段[t4～t5]中，在t4时刻，开关管S1关断，开关管S2导通，开关管S3和开关管S5保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的源极到漏极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态五中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000043
t5时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000044
其中，iL(t4)为t4时刻电感L的电流值，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，t为第五时间段[t4～t5]中的时间点，L为电感L的值，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比；
模态六：第六时间段[t5～t6]中，在t5时刻，开关管S3关断，开关管S4导通，开关管S2和开关管S5保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的源极到漏极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S3的源极到漏极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态六中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000051
t6时刻的电流值为0，其中，iL(t5)为t5时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第六时间段[t5～t6]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压；
模态七：第七时间段[t6～t7]中，在t6时刻，开关管S2、开关管S4和开关管S5保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的漏极到源极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S4的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态七中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000052
t7时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000053
其中，iL(t6)为t6时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第七时间段[t6～t7]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，TH为半个开关周期；
模态八：第八时间段[t7～t8]中，在t7时刻，开关管S5关断，开关管S6导通，开关管S2和开关管S4保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的漏极到源极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S4的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态八中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000054
t4时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000061
其中，iL(t7)为t7时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第八时间段[t7～t8]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比；
一种串并联双有源桥式变换器的调制方法，包括以下步骤：
A1、以第三半桥DAB变换器模块的方波电压为基准，分别调节第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1和第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于方波电压V2的第一超前移相占空比D1和第二超前移相占空比D2；
A2、根据调节的第一超前移相占空比D1和第二超前移相占空比D2，得到变压器T1和变压器T2输出的方波电压V1；
A3、根据第三半桥DAB变换器模块形成的方波电压V2，改变电感L两端的电压VL，VL＝V1-V2；
A4、根据电感L两端的电压VL，得到输出电压Vo。
进一步地，所述步骤A4中输出电压Vo的计算公式为：
Figure BDA0002891598440000062
其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure BDA0002891598440000063
ta为方波电压Vi1相对于方波电压V2的超前移相时间，tb为方波电压Vi2相对于方波电压V2的超前移相时间，D1为第一超前移相占空比，D2为第二超前移相占空比，设定0<D1<1,0<D2<1。
一种串并联双有源桥式变换器的调制方法，包括以下步骤：
B1、保持第一半桥DAB变换器模块输出的功率最大，即
Figure BDA0002891598440000071
调节第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于方波电压V2的第二超前移相占空比D2；
B2、根据第二超前移相占空比D2，得到
Figure BDA0002891598440000072
至Vo,max的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值。
进一步地，所述步骤B2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure BDA0002891598440000073
其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure BDA0002891598440000074
tb为方波电压Vi2相对于方波电压V2的超前移相时间，D2为第二超前移相占空比。
一种串并联双有源桥式变换器的调制方法，包括以下步骤：
C1、保持第二半桥DAB变换器模块输出的功率最大，即
Figure BDA0002891598440000075
调节第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于方波电压V2的第一超前移相占空比D1；
C2、根据第一超前移相占空比D1，得到
Figure BDA0002891598440000076
至Vo,max的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值。
进一步地，所述步骤C2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure BDA0002891598440000077
其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure BDA0002891598440000078
ta为方波电压Vi1相对于方波电压V2的超前移相时间，D1为第一超前移相占空比。
一种串并联双有源桥式变换器的调制方法，包括以下步骤：
D1、关闭第一半桥DAB变换器模块，调节第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于方波电压V2的第二超前移相占空比D2；
D2、根据第二超前移相占空比D2，得到0至
Figure BDA0002891598440000081
的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值；
所述步骤D2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure BDA0002891598440000082
其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure BDA0002891598440000083
tb为方波电压Vi2相对于方波电压V2的超前移相时间，D2为第二超前移相占空比。
一种串并联双有源桥式变换器的调制方法，包括以下步骤：
E1、关闭第二半桥DAB变换器模块，调节第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于方波电压V2的第一超前移相占空比D1；
E2、根据第一超前移相占空比D1，得到0至
Figure BDA0002891598440000084
的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值；
步骤E2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure BDA0002891598440000085
其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure BDA0002891598440000086
ta为方波电压Vi1相对于方波电压V2的超前移相时间，D1为第一超前移相占空比。
综上，本发明的有益效果为：
(1)、一种串并联双有源桥式变换器及调制方法，采用输入并联和输出串联的结构。通过构建两组输入并联的半桥DAB变换器模块，变压器右侧采用串联结构，共用了一组半桥DAB变换器模块和电感，减少了开关器件和元件的数量。以右侧半桥DAB变换器模块所形成的方波电压V2为基准，调节左侧两个半桥DAB变换器模块所形成的方波电压Vi1和Vi2相对于V2的超前移相占空比D1和D2，可分别调节两个模块的输出能量，可实现从0到Vo,max更宽范围的电压输出。
(2)、为控制方便，或在特定窄范围输出场景，也可以“定一调一”，也即保持一个模块最大输出，调节另一个模块的输出来实现对输出电压的调节，可实现从
Figure BDA0002891598440000091
到Vo,max更宽范围的电压输出，或关闭一个模块，调节另一个模块的输出，可实现从0到
Figure BDA0002891598440000092
更宽范围的电压输出。
附图说明
图1为一种串并联双有源桥式变换器的结构示意图；
图2为串并联双有源桥式变换器的电压波形图；
图3为串并联双有源桥式变换器模态一的工作模态图；
图4为串并联双有源桥式变换器模态二的工作模态图；
图5为串并联双有源桥式变换器模态三的工作模态图；
图6为串并联双有源桥式变换器模态四的工作模态图；
图7为串并联双有源桥式变换器模态五的工作模态图；
图8为串并联双有源桥式变换器模态六的工作模态图；
图9为串并联双有源桥式变换器模态七的工作模态图；
图10为串并联双有源桥式变换器模态八的工作模态图；
图11为输出增益曲面图；
图12为保持其中一个半桥DAB变换器模块输出的方波电压最大，输出电压的增益图；
图13为关闭其中一个半桥DAB变换器模块，输出电压的增益图；
图14为
Figure BDA0002891598440000101
D2＝0.22时的仿真波形；
图15为
Figure BDA0002891598440000102
D2＝0时的仿真波形；
图16为
Figure BDA0002891598440000103
时的仿真波形。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种串并联双有源桥式变换器，包括：电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、变压器T1、变压器T2、电感L、开关管S5、开关管S6、电容C3、电容C4和电容Co；
所述开关管S1的漏极分别与开关管S3的漏极和电容C1的一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的正输入端；所述开关管S1的源极分别与变压器T1原边的一端和开关管S2的漏极连接；所述开关管S2的源极分别与开关管S4的源极和电容C2的一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的负输入端；所述开关管S3的源极分别与开关管S4的漏极和变压器T2原边的一端连接；所述电容C1的另一端分别与电容C2的另一端、变压器T1原边的另一端和变压器T2原边的另一端连接；所述变压器T1副边的一端与电感L的一端连接，其副边的另一端与变压器T2副边的一端连接；所述开关管S5的源极分别与电感L的另一端和开关管S6的漏极连接，其漏极分别与电容C3的一端和电容Co的一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的正输出端；所述开关管S6的源极分别与电容C4的一端和电容Co的另一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的负输出端；所述电容C3的另一端分别与电容C4的另一端和变压器T2副边的另一端连接；所述开关管S1和开关管S2构成第一半桥DAB变换器模块；所述开关管S3和开关管S4构成第二半桥DAB变换器模块；所述开关管S5和开关管S6构成第三半桥DAB变换器模块。
所述串并联双有源桥式变换器存在8种模态，由于死区时间极为短暂，为分析方便，省略死区时间，电压波形如图2所示。
如图3所示，模态一：第一时间段[t0～t1]中，在t0时刻，开关管S2关断，开关管S1导通，开关管S4和开关管S6保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的源极到漏极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S4的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态一中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000111
t1时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000112
其中，iL(t0)为t0时刻电感L的电流值，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，t为第一时间段[t0～t1]中的时间点，L为电感L的值，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比；
如图4所示，模态二：第二时间段[t1～t2]中，在t1时刻，开关管S4关断，开关管S3导通，开关管S1和开关管S6保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的源极到漏极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的源极到漏极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态二中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000121
t2时刻的电流值为0，其中，iL(t1)为t1时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第二时间段[t1～t2]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压；
如图5所示，模态三：第三时间段[t2～t3]中，在t2时刻，开关管S1、开关管S3和开关管S6保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的漏极到源极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态三中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000122
t3时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000123
其中，iL(t2)为t2时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第三时间段[t2～t3]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，TH为半个开关周期；
如图6所示，模态四：第四时间段[t3～t4]中，在t3时刻，开关管S6关断，开关管S5导通，开关管S1和开关管S3保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的漏极到源极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态四中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000131
t4时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000132
其中，iL(t3)为t3时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第四时间段[t3～t4]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比；
如图7所示，模态五：第五时间段[t4～t5]中，在t4时刻，开关管S1关断，开关管S2导通，开关管S3和开关管S5保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的源极到漏极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态五中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000133
t5时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000134
其中，iL(t4)为t4时刻电感L的电流值，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，t为第五时间段[t4～t5]中的时间点，L为电感L的值，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比；
如图8所示，模态六：第六时间段[t5～t6]中，在t5时刻，开关管S3关断，开关管S4导通，开关管S2和开关管S5保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的源极到漏极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S3的源极到漏极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态六中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000141
t6时刻的电流值为0，其中，iL(t5)为t5时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第六时间段[t5～t6]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压；
如图9所示，模态七：第七时间段[t6～t7]中，在t6时刻，开关管S2、开关管S4和开关管S5保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的漏极到源极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S4的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态七中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure BDA0002891598440000142
t7时刻的电流值为
Figure BDA0002891598440000143
其中，iL(t6)为t6时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第七时间段[t6～t7]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，TH为半个开关周期；
如图10所示，模态八：第八时间段[t7～t8]中，在t7时刻，开关管S5关断，开关管S6导通，开关管S2和开关管S4保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的漏极到源极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S4的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
一种串并联双有源桥式变换器的调制方法，包括以下步骤：
A1、以第三半桥DAB变换器模块的方波电压为基准，分别调节第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1和第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于方波电压V2的第一超前移相占空比D1和第二超前移相占空比D2；
A2、根据调节的第一超前移相占空比D1和第二超前移相占空比D2，得到变压器T1和变压器T2输出的方波电压V1；
A3、根据第三半桥DAB变换器模块形成的方波电压V2，改变电感L两端的电压VL，VL＝V1-V2；
A4、根据电感L两端的电压VL，得到输出电压Vo。
步骤A4中输出电压Vo的计算公式为：
Figure BDA0002891598440000151
其输出增益为
Figure BDA0002891598440000152
增益曲面图如图11所示，其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure BDA0002891598440000153
ta为方波电压Vi1相对于方波电压V2的超前移相时间，tb为方波电压Vi2相对于方波电压V2的超前移相时间，D1为第一超前移相占空比，D2为第二超前移相占空比，设定0<D1<1,0<D2<1。
一种串并联双有源桥式变换器的调制方法，包括以下步骤：
B1、保持第一半桥DAB变换器模块输出的功率最大，即
Figure BDA0002891598440000154
调节第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于方波电压V2的第二超前移相占空比D2；
B2、根据第二超前移相占空比D2，得到
Figure BDA0002891598440000155
至Vo,max的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值。
步骤B2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure BDA0002891598440000161
其输出增益为
Figure BDA0002891598440000162
输出增益图如图12所示，其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure BDA0002891598440000163
tb为方波电压Vi2相对于方波电压V2的超前移相时间，D2为第二超前移相占空比。
一种串并联双有源桥式变换器的调制方法，包括以下步骤：
C1、保持第二半桥DAB变换器模块输出的功率最大，即
Figure BDA0002891598440000164
调节第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于方波电压V2的第一超前移相占空比D1；
C2、根据第一超前移相占空比D1，得到
Figure BDA0002891598440000165
至Vo,max的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值。
步骤C2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure BDA0002891598440000166
其输出增益为
Figure BDA0002891598440000167
输出增益图如图12所示，其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure BDA0002891598440000168
ta为方波电压Vi1相对于方波电压V2的超前移相时间，D1为第一超前移相占空比。
一种串并联双有源桥式变换器的调制方法，包括以下步骤：
D1、关闭第一半桥DAB变换器模块，调节第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于方波电压V2的第二超前移相占空比D2；
D2、根据第二超前移相占空比D2，得到0至
Figure BDA0002891598440000171
的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值；
所述步骤D2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure BDA0002891598440000172
其输出增益为
Figure BDA0002891598440000173
输出增益图如图13所示，其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure BDA0002891598440000174
tb为方波电压Vi2相对于方波电压V2的超前移相时间，D2为第二超前移相占空比。
一种串并联双有源桥式变换器的调制方法，包括以下步骤：
E1、关闭第二半桥DAB变换器模块，调节第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于方波电压V2的第一超前移相占空比D1；
E2、根据第一超前移相占空比D1，得到0至
Figure BDA0002891598440000175
的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值；
步骤E2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure BDA0002891598440000176
其输出增益为
Figure BDA0002891598440000177
输出增益图如图13所示，其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure BDA0002891598440000178
ta为方波电压Vi1相对于方波电压V2的超前移相时间，D1为第一超前移相占空比。
仿真分析结果：仿真参数为：输入Vin＝100V，开关频率为100kHz，负载电阻RL＝100Ω，电感L为28uH，输出电容Co＝200uF。
图14为当
Figure BDA0002891598440000181
D2＝0.22时的仿真波形。从上至下分别为输出电压Vo波形，左侧两个半桥DAB变换器模块所形成的方波电压Vi1和Vi2波形，变压器右侧所形成的方波电压V1波形，右侧半桥DAB变换器所形成的方波电压V2波形，电感电流iL波形。
图15为当
Figure BDA0002891598440000182
D2＝0时的仿真波形。从上至下分别为输出电压Vo波形，左侧两个半桥DAB变换器模块所形成的方波电压Vi1和Vi2波形，变压器右侧所形成的方波电压V1波形，右侧半桥DAB变换器所形成的方波电压V2波形，电感电流iL波形。
图16为当
Figure BDA0002891598440000183
时的仿真波形。从上至下分别为输出电压Vo波形，左侧两个半桥DAB变换器模块所形成的方波电压Vi1和Vi2波形，变压器右侧所形成的方波电压V1波形，右侧半桥DAB变换器所形成的方波电压V2波形，电感电流iL波形。
综上，本发明所提出的串并联双有源桥式变换器能够实现具有宽范围输出的特点，既可以同时调节两个模块的输出，也可以实现“定一调一”，由于采用并联两个模块输入，减小了单个模块的电压应力和体积尺寸。

Claims (9)

1.一种串并联双有源桥式变换器，其特征在于，包括：电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、变压器T1、变压器T2、电感L、开关管S5、开关管S6、电容C3、电容C4和电容Co；
所述开关管S1的漏极分别与开关管S3的漏极和电容C1的一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的正输入端；所述开关管S1的源极分别与变压器T1原边的一端和开关管S2的漏极连接；所述开关管S2的源极分别与开关管S4的源极和电容C2的一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的负输入端；所述开关管S3的源极分别与开关管S4的漏极和变压器T2原边的一端连接；所述电容C1的另一端分别与电容C2的另一端、变压器T1原边的另一端和变压器T2原边的另一端连接；所述变压器T1副边的一端与电感L的一端连接，其副边的另一端与变压器T2副边的一端连接；所述开关管S5的源极分别与电感L的另一端和开关管S6的漏极连接，其漏极分别与电容C3的一端和电容Co的一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的正输出端；所述开关管S6的源极分别与电容C4的一端和电容Co的另一端连接，并作为串并联双有源桥式变换器的负输出端；所述电容C3的另一端分别与电容C4的另一端和变压器T2副边的另一端连接；所述开关管S1和开关管S2构成第一半桥DAB变换器模块；所述开关管S3和开关管S4构成第二半桥DAB变换器模块；所述开关管S5和开关管S6构成第三半桥DAB变换器模块；
所述串并联双有源桥式变换器存在8种模态：
模态一：第一时间段[t0～t1]中，在t0时刻，开关管S2关断，开关管S1导通，开关管S4和开关管S6保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的源极到漏极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S4的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态一中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure FDA0003363983200000021
t1时刻的电流值为
Figure FDA0003363983200000022
其中，iL(t0)为t0时刻电感L的电流值，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，t为第一时间段[t0～t1]中的时间点，L为电感L的值，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比；
模态二：第二时间段[t1～t2]中，在t1时刻，开关管S4关断，开关管S3导通，开关管S1和开关管S6保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的源极到漏极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的源极到漏极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态二中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure FDA0003363983200000023
t2时刻的电流值为0，其中，iL(t1)为t1时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第二时间段[t1～t2]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压；
模态三：第三时间段[t2～t3]中，在t2时刻，开关管S1、开关管S3和开关管S6保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的漏极到源极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态三中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure FDA0003363983200000024
t3时刻的电流值为
Figure FDA0003363983200000031
其中，iL(t2)为t2时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第三时间段[t2～t3]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，TH为半个开关周期；
模态四：第四时间段[t3～t4]中，在t3时刻，开关管S6关断，开关管S5导通，开关管S1和开关管S3保持开通，通过开关管S1的电流i1的方向为开关管S1的漏极到源极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态四中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure FDA0003363983200000032
t4时刻的电流值为
Figure FDA0003363983200000033
其中，iL(t3)为t3时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第四时间段[t3～t4]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比；
模态五：第五时间段[t4～t5]中，在t4时刻，开关管S1关断，开关管S2导通，开关管S3和开关管S5保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的源极到漏极，通过开关管S3的电流i2的方向为开关管S3的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态五中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure FDA0003363983200000034
t5时刻的电流值为
Figure FDA0003363983200000041
其中，iL(t4)为t4时刻电感L的电流值，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，t为第五时间段[t4～t5]中的时间点，L为电感L的值，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比；
模态六：第六时间段[t5～t6]中，在t5时刻，开关管S3关断，开关管S4导通，开关管S2和开关管S5保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的源极到漏极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S3的源极到漏极，电感L的电流iL的方向为顺时针；
在模态六中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure FDA0003363983200000042
t6时刻的电流值为0，其中，iL(t5)为t5时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第六时间段[t5～t6]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压；
模态七：第七时间段[t6～t7]中，在t6时刻，开关管S2、开关管S4和开关管S5保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的漏极到源极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S4的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态七中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure FDA0003363983200000043
t7时刻的电流值为
Figure FDA0003363983200000044
其中，iL(t6)为t6时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第七时间段[t6～t7]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，D2为第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比，TH为半个开关周期；
模态八：第八时间段[t7～t8]中，在t7时刻，开关管S5关断，开关管S6导通，开关管S2和开关管S4保持开通，通过开关管S2的电流i1的方向为开关管S2的漏极到源极，通过开关管S4的电流i2的方向为开关管S4的漏极到源极，电感L的电流iL的方向为逆时针；
在模态八中，所述电流iL的时域表达式为：
Figure FDA0003363983200000051
t4时刻的电流值为
Figure FDA0003363983200000052
其中，iL(t7)为t7时刻电感L的电流值，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，t为第八时间段[t7～t8]中的时间点，Vo为串并联双有源桥式变换器的输出电压，TH为半个开关周期，D1为第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于第三半桥DAB变换器模块的方波电压V2的超前移相占空比。
2.一种根据权利要求1所述的串并联双有源桥式变换器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1、以第三半桥DAB变换器模块的方波电压为基准，分别调节第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1和第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于方波电压V2的第一超前移相占空比D1和第二超前移相占空比D2；
A2、根据调节的第一超前移相占空比D1和第二超前移相占空比D2，得到变压器T1和变压器T2输出的方波电压V1；
A3、根据第三半桥DAB变换器模块形成的方波电压V2，改变电感L两端的电压VL，VL＝V1-V2；
A4、根据电感L两端的电压VL，得到输出电压Vo。
3.根据权利要求2所述的串并联双有源桥式变换器的调制方法，其特征在于，所述步骤A4中输出电压Vo的计算公式为：
Figure FDA0003363983200000061
其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure FDA0003363983200000062
ta为方波电压Vi1相对于方波电压V2的超前移相时间，tb为方波电压Vi2相对于方波电压V2的超前移相时间，D1为第一超前移相占空比，D2为第二超前移相占空比，设定0<D1<1,0<D2<1。
4.一种根据权利要求1所述的串并联双有源桥式变换器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
B1、保持第一半桥DAB变换器模块输出的功率最大，即
Figure FDA0003363983200000063
调节第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于方波电压V2的第二超前移相占空比D2；
B2、根据第二超前移相占空比D2，得到
Figure FDA0003363983200000064
至Vo,max的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值。
5.根据权利要求4所述的串并联双有源桥式变换器的调制方法，其特征在于，所述步骤B2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure FDA0003363983200000065
其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure FDA0003363983200000071
tb为方波电压Vi2相对于方波电压V2的超前移相时间，D2为第二超前移相占空比。
6.一种根据权利要求1所述的串并联双有源桥式变换器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
C1、保持第二半桥DAB变换器模块输出的功率最大，即
Figure FDA0003363983200000072
调节第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于方波电压V2的第一超前移相占空比D1；
C2、根据第一超前移相占空比D1，得到
Figure FDA0003363983200000073
至Vo,max的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值。
7.根据权利要求6所述的串并联双有源桥式变换器的调制方法，其特征在于，所述步骤C2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure FDA0003363983200000074
其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure FDA0003363983200000075
ta为方波电压Vi1相对于方波电压V2的超前移相时间，D1为第一超前移相占空比。
8.一种根据权利要求1所述的串并联双有源桥式变换器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
D1、关闭第一半桥DAB变换器模块，调节第二半桥DAB变换器模块的方波电压Vi2相对于方波电压V2的第二超前移相占空比D2；
D2、根据第二超前移相占空比D2，得到0至
Figure FDA0003363983200000076
的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值；
所述步骤D2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure FDA0003363983200000081
其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure FDA0003363983200000082
tb为方波电压Vi2相对于方波电压V2的超前移相时间，D2为第二超前移相占空比。
9.一种根据权利要求1所述的串并联双有源桥式变换器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
E1、关闭第二半桥DAB变换器模块，调节第一半桥DAB变换器模块的方波电压Vi1相对于方波电压V2的第一超前移相占空比D1；
E2、根据第一超前移相占空比D1，得到0至
Figure FDA0003363983200000083
的输出电压Vo，其中，Vo,max为输出电压Vo的最大值；
步骤E2中输出电压Vo的计算公式为：
Figure FDA0003363983200000084
其中，TH为半个开关周期，Vin为串并联双有源桥式变换器的输入电压，n为变压器的变比，L为电感L的值，R为负载电阻的值，
Figure FDA0003363983200000085
ta为方波电压Vi1相对于方波电压V2的超前移相时间，D1为第一超前移相占空比。
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