CN112953230B - 双有源桥电路的三重移相控制方法、控制装置 - Google Patents

双有源桥电路的三重移相控制方法、控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双有源桥电路的三重移相控制方法、控制装置，双有源桥电路包括：三电平加三电平、三电平加两电平、两电平加三电平，所述方法包括：根据双有源桥电路的输入电压源、输出电压源的电压范围和开关管的耐压范围选择电路结构；判断移相模式，包括：降压三重移相模式、升压三重移相模式；根据双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和闭环控制量计算不同移相模式下对应的三重移相的角度；根据三重移相的角度进行移相控制。该方法根据不同电压等级选择合适的双有源桥电路拓扑，降低开关管的耐压等级，组合方式灵活、节省成本，针对选定的拓扑采用三重移相控制，能够减小开关管开通损耗，提高双有源全桥电路的工作效率。

Description

双有源桥电路的三重移相控制方法、控制装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种双有源桥电路的三重移相控制方法、一种双有源桥电路的三重移相控制装置。
背景技术
近年来，能量双向流动变换器得到众多关注，被广泛应用于不间断供电电源、电池充放电系统、电机驱动和混合动力汽车等领域。其中，DAB(Dual Active Bridge，双有源桥)电路被认为是实现能量双向流动的最佳拓扑之一，常用于高功率密度和大功率场合。
目前，传统的DAB电路为两电平结构，需要开关器件耐压高，且当DAB 两端电压差异较大时，开关器件的ZVS(Zero Voltage Switch，零电压开关) 实现效果较差。且DAB电路的控制算法中多采用单重移相控制，该方法的不足之处在于当输入输出电压变化范围很大，此时ZVS的实现效果比较差。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种双有源桥电路的三重移相控制方法，该方法根据不同电压等级选择合适的双有源桥电路拓扑，降低开关管的耐压等级，组合方式灵活、节省成本，针对选定的拓扑进行降压移相控制或升压移相控制时采用三重移相控制，在电压变化范围很大的情况下，也能够保证全范围内的零电压开关的实现效果，从而能够减小开关管开通损耗，提高双有源全桥电路的工作效率。
本发明还提出一种双有源桥电路的三重移相控制装置。
本发明采用的技术方案如下：
本发明第一方面实施例提出了一种双有源桥电路的三重移相控制方法，所述双有源桥电路包括：三电平加三电平结构、三电平加两电平结构、两电平加三电平结构，所述方法包括以下步骤：根据所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择所述双有源桥电路的结构；根据所述双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和变压器的变比判断移相模式，其中，所述移相模式包括：降压三重移相模式、升压三重移相模式；根据所述双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和闭环控制量计算不同移相模式下对应的三重移相的角度；根据所述三重移相的角度对所述第一至第四驱动桥臂进行移相控制。
根据本发明的一个实施例，根据所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择所述双有源桥电路的结构，包括：如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围和所述输出电压源的电压范围均在所述开关管的耐压范围以上，则选择三电平加三电平结构；如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围以上、且所述输出电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围之内，则选择三电平加两电平结构；如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围之内、且所述输出电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围以上，则选择两电平加三电平结构。
根据本发明的一个实施例，所述三电平加两电平结构包括：第一输入电容和第二输入电容，所述第一输入电容与所述第二输入电容串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一输入电容和所述第二输入电容之间存在第一节点；第一驱动桥臂和第二驱动桥臂，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一驱动桥臂与所述第二驱动桥臂之间存在第二节点，所述第二节点与所述第一节点相连；第三驱动桥臂和第四驱动桥臂，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂与输出电压源并联；第一输出电容，所述第一输出电容与所述输出电压源并联；变压器，所述变压器的原边绕组的同名端通过第一谐振电感和第一隔直电容与所述第一驱动桥臂的中点相连，所述变压器的原边绕组的异名端与所述第二驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的同名端通过第二隔直电容与所述第三驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的异名端通过第二谐振电感与所述第四驱动桥臂的中点相连。
根据本发明的一个实施例，所述三电平加三电平结构，包括：第一输入电容和第二输入电容，所述第一输入电容与所述第二输入电容串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一输入电容和所述第二输入电容之间存在第一节点；第一驱动桥臂和第二驱动桥臂，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一驱动桥臂与所述第二驱动桥臂之间存在第二节点，所述第二节点与所述第一节点相连；第一输出电容和第二输出电容，所述第一输出电容与所述第二输出电容串联后连接在输出电压源的正负极之间，且所述第一输出电容和所述第二输出电容之间存在第三节点；第三驱动桥臂和第四驱动桥臂，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂串联后连接在所述输出电压源的正负极之间，且所述第三驱动桥臂与所述第四驱动桥臂之间存在第四节点，所述第四节点与所述第三节点相连；变压器，所述变压器的原边绕组的同名端通过第一谐振电感和第一隔直电容与所述第一驱动桥臂的中点相连，所述变压器的原边绕组的异名端与所述第二驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的同名端通过第二隔直电容和第二谐振电感与所述第三驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的异名端与所述第四驱动桥臂的中点相连。
根据本发明的一个实施例，所述两电平加三电平结构，包括：第一输入电容，所述第一输入电容连接在输入电压源的正负极之间；第一驱动桥臂和第二驱动桥臂，所述第一驱动桥臂和第二驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂与所述输入电压源并联；第三驱动桥臂和第四驱动桥臂，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂串联后连接在输出电压源的正负极之间，且所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂之间存在第一节点；第一输出电容和第二输出电容，所述第一输出电容和所述第二输出电容串联后连接在所述输出电压源的正负极之间，且所述第一输出电容与所述第二输出电容之间存在第二节点，所述第二节点与所述第一节点相连；变压器，所述变压器的原边绕组的同名端通过第一隔直电容与所述第一驱动桥臂的中点相连，所述变压器的原边绕组的异名端通过第一谐振电感与所述第二驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的同名端通过第二谐振电感和第二隔直电容与所述第三驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的异名端与所述第四驱动桥臂的中点相连。
根据本发明的一个实施例，所述双有源桥电路在开关转换时，所述第一谐振电感或所述第二谐振电感的电流值满足如下关系式：
Figure GDA0003679485490000041
其中，iL为所述第一至第四驱动桥臂中开关管切换时刻的电流值，Ir为所述第一至第四驱动桥臂中开关管实现ZVS需要的电流值，Coss为所述第一至第四驱动桥臂中开关管的输出电容值，N为所述第一至第四驱动桥臂中开关管并联的个数，M为倍数余量，Vmax为原副边等效的电压最大值，L为谐振电感的电感量。
本发明第二方面实施例提出一种双有源桥电路的三重移相控制装置，所述双有源桥电路包括：三电平加三电平结构、三电平加两电平结构、两电平加三电平结构，所述装置包括：选择模块，所述选择模块用于根据所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择所述双有源桥电路的结构；判断模块，所述判断模块用于根据所述双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和变压器的变比判断移相模式，其中，所述移相模式包括：降压三重移相模式、升压三重移相模式；计算模块，所述计算模块用于根据所述双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和闭环控制量计算不同移相模式下对应的三重移相的角度；驱动模块，所述驱动模块用于根据所述三重移相的角度对所述第一至第四驱动桥臂进行移相控制。
根据本发明的一个实施例，所述选择模块具体用于：如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围和所述输出电压源的电压范围均在所述开关管的耐压范围以上，则选择三电平加三电平结构；如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围以上、且所述输出电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围之内，则选择三电平加两电平结构；如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围之内、且所述输出电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围以上，则选择两电平加三电平结构。
本发明的有益效果：
本发明根据不同电压等级选择合适的双有源桥电路拓扑，降低开关管的耐压等级，组合方式灵活、节省成本，针对选定的拓扑进行降压移相控制或升压移相控制时采用三重移相控制，在电压变化范围很大的情况下，也能够保证全范围内的零电压开关的实现效果，从而能够减小开关管开通损耗，提高双有源全桥电路的工作效率。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的双有源桥电路的三重移相控制方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的三电平加两电平结构的双有源桥电路的电路拓扑图；
图3是根据本发明一个实施例的三电平加三电平结构的双有源桥电路的电路拓扑图；
图4是根据本发明一个实施例的两电平加三电平结构的双有源桥电路的电路拓扑图；
图5是根据本发明一个实施例的多重移相控制不同状态切换逻辑图；
图6a-6e是根据本发明一个实施例的升压模式移相控制的工作波形图；
图7a-7e是根据本发明一个实施例的降压模式移相控制的工作波形图；
图8是根据本发明一个实施例的双有源桥电路的三重移相控制装置的方框示意图；
图9是根据本发明一个实施例的双有源桥电路的三重移相控制装置的 DSP数字控制框图。
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，所描述的实施例仅仅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。
图1是根据本发明一个实施例的双有源桥电路的三重移相控制方法的流程图。其中，如图2-4所示，双有源桥电路包括：三电平加两电平结构(图2)、三电平加三电平结构(图3)、两电平加三电平结构(图4)，如图1所示，双有源桥电路的三重移相控制方法包括以下步骤：
S1，根据双有源桥电路的输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择双有源桥电路的结构。
进一步，根据本发明的一个实施例，根据双有源桥电路的输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择双有源桥电路的结构，包括：如果双有源桥电路的输入电压源的电压范围和输出电压源的电压范围均在开关管的耐压范围以上，则选择三电平加三电平结构；如果双有源桥电路的输入电压源的电压范围在开关管的耐压范围以上、且输出电压源的电压范围在开关管的耐压范围之内，则选择三电平加两电平结构；如果双有源桥电路的输入电压源的电压范围在开关管的耐压范围之内、且输出电压源的电压范围在开关管的耐压范围以上，则选择两电平加三电平结构。
具体的，三电平加三电平结构即为原边电平为三种，副边电压为三种；三电平加两电平结构即为原边电平为三种，副边电平为两种；两电平加三电平结构即为原边电平为两种，副边电平为三种。不同种类的开关管具有不同的耐压范围，例如IGBT(Insulated GateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)的耐压范围一般较高，MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)的耐压范围相较于IGBT较低，因此，需要根据双有源桥电路的实际情况，即输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择双有源桥电路的结构。
S2，根据双有源桥电路输入电压源的等效电压V1、输出电压源的等效电压V2和双有源桥电路的变压器的变比n判断移相模式。其中，移相模式包括：降压三重移相模式、升压三重移相模式。
S3，根据双有源桥电路输入电压源的等效电压V1、输出电压源的等效电压V2和闭环控制量Dx计算不同移相模式下对应的三重移相的角度。
S4，根据三重移相的角度对第一至第四驱动桥臂进行移相控制。
具体的，先根据双有源桥电路输入电压源Vin和输出电压源Vout的电压范围选择双有源桥电路的结构。然后，根据双有源桥电路的变压器设计变比n，输入电压源的等效电压V1、输出电压源的等效电压V2选择是降压三重移相模式或者升压三重移相模式；其中，当V1≥nV2时，则判断双有源桥电路为降压三重移相模式，当V1＜nV2时，则判断双有源桥电路为升压三重移相模式。等效电压和输入电压不一致，三电平的等效电压为0.5倍输入，两电平的等效电压为1倍输入。
然后，根据双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和闭环控制量计算不同移相模式下对应的三重移相的角度。三种组合形态 DAB的桥臂划分如图2-4中所示，三重移相的角度是指：第二驱动桥臂2相对第一驱动桥臂1移相D21、第三驱动桥臂3相对第一驱动桥臂1移相D31、第四驱动桥臂4相对第一驱动桥臂1移相D41。最后，根据三重移相的角度对第一至第四驱动桥臂进行移相控制即可。
由此，根据不同电压等级选择合适的双有源桥电路拓扑，降低开关管的耐压等级，组合方式灵活、节省成本，针对选定的拓扑进行降压移相控制或升压移相控制时采用三重移相控制，在电压变化范围很大的情况下，也能够保证全范围内的零电压开关的实现效果，从而能够减小开关管开通损耗，提高双有源全桥电路的工作效率。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，三电平加两电平结构可以包括：第一输入电容Cin1、第二输入电容Cin2、第一驱动桥臂1和第二驱动桥臂2、第三驱动桥臂3和第四驱动桥臂4、第一输出电容Cbus、变压器T。
其中，第一输入电容Cin1与第二输入电容Cin2串联后连接在输入电压源 Vin的正负极之间，且第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2之间存在第一节点Q1；第一驱动桥臂1和第二驱动桥臂2由半桥驱动模块构成，第一驱动桥臂1和第二驱动桥臂2串联后连接在输入电压源Vin的正负极之间，且第一驱动桥臂1与第二驱动桥臂2之间存在第二节点Q2，第二节点Q2与第一节点 Q1相连；第三驱动桥臂3和第四驱动桥臂4由半桥驱动模块构成，所第三驱动桥臂3和第四驱动桥臂4与输出电压源Vout并联；第一输出电容Cbus与输出电压源Vout并联；变压器T的原边绕组的同名端通过第一谐振电感Lr1和第一隔直电容C1与第一驱动桥臂1的中点A相连，变压器T的原边绕组的异名端与第二驱动桥臂2的中点B相连，变压器T的副边绕组的同名端通过第二隔直电容C2与第三驱动桥臂3的中点C相连，变压器T的副边绕组的异名端通过第二谐振电感Lr2与第四驱动桥臂4的中点D相连。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，三电平加三电平结构，可以包括：第一输入电容Cin1、第二输入电容Cin2、第一驱动桥臂1和第二驱动桥臂 2、第三驱动桥臂3和第四驱动桥臂4、第一输出电容Cout1和第二输出电容Cout2、变压器T。
其中，第一输入电容Cin1与第二输入电容Cin2串联后连接在输入电压源 Vin的正负极之间，且第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2之间存在第一节点Q1；第一驱动桥臂1和第二驱动桥臂2由半桥驱动模块构成，第一驱动桥臂1和第二驱动桥臂2串联后连接在输入电压源Vin的正负极之间，且第一驱动桥臂1与第二驱动桥臂2之间存在第二节点Q2，第二节点Q2与第一节点 Q1相连；第一输出电容Cout1与第二输出电容Cout2串联后连接在输出电压源Vout的正负极之间，且第一输出电容Cout1与第二输出电容Cout2之间存在第三节点Q3；第三驱动桥臂3和第四驱动桥臂4由半桥驱动模块构成，第三驱动桥臂3和第四驱动桥臂4串联后连接在输出电压源Vout的正负极之间，且第三驱动桥臂3与第四驱动桥臂4之间存在第四节点Q4，第四节点Q4与第三节点相连C；变压器T的原边绕组的同名端通过第一谐振电感Lr1和第一隔直电容C1与第一驱动桥臂的中点A相连，变压器T的原边绕组的异名端与第二驱动桥臂的中点B相连，变压器T的副边绕组的同名端通过第二隔直电容C2和第二谐振电感Lr2与第三驱动桥臂的中点C相连，所述变压器的副边绕组的异名端与所述第四驱动桥臂的中点D相连。
根据本发明的一个实施例，如图4所示，两电平加三电平结构，可以包括：第一输入电容Cbus、第一驱动桥臂1和第二驱动桥臂2、第三驱动桥臂3 和第四驱动桥臂4、第一输出电容Cout1和第二输出电容Cout2、变压器T。
其中，第一输入电容Cbus连接在输入电压源Vin的正负极之间；第一驱动桥臂1和第二驱动桥臂2由半桥驱动模块构成，第一驱动桥臂1和第二驱动桥臂2与输入电压源Vin并联；第三驱动桥臂3和第四驱动桥臂4串联后连接在输出电压源Vout的正负极之间，且第三驱动桥臂3和第四驱动桥臂4之间存在第一节点Q1；第一输出电容Cout1和第二输出电容Cout2串联后连接在输出电压源Vout的正负极之间，且第一输出电容Cout1和第二输出电容Cout2之间存在第二节点Q2，第二节点Q2与第一节点Q1相连；变压器T的原边绕组的同名端通过第一隔直电容C1与第一驱动桥臂的中点A相连，变压器T的原边绕组的异名端通过第一谐振电感Lr1与第二驱动桥臂的中点B相连，变压器 T的副边绕组的同名端通过第二谐振电感Lr2和第二隔直电容C2与第三驱动桥臂的中点C相连，变压器T的副边绕组的异名端与第四驱动桥臂的中点D相连。
如图5所示为本发明所得到的多重移相控制不同状态切换逻辑图，随着输出功率变化相邻两个状态之间可以相互切换。下面将详细讨论降压模式移相控制和升压模式移相控制的工作具体细节。
为了实现ZVS效果，双有源桥电路在开关转换时，第一谐振电感或第二谐振电感的电流值满足如下关系式(1)：
Figure GDA0003679485490000101
其中，iL为所述第一至第四驱动桥臂中开关管切换时刻的电流值，Ir为所述第一至第四驱动桥臂中开关管实现ZVS需要的电流值，Coss为所述第一至第四驱动桥臂中开关管的输出电容值，N为所述第一至第四驱动桥臂中开关管并联的个数，M为倍数余量，Vmax为原副边等效的电压最大值，L为谐振电感的电感量。
根据本发明的一个实施例，在双有源桥电路工作在降压三重移相模式时，通过控制降压三重移相控制算法来实现零电压开关；在双有源桥电路工作在升压三重移相模式时，通过控制升压三重移相控制算法来实现零电压开关。
本发明中，升压三重移相控制算法，包括：
在V1<nV2升压移相控制输出功率最大时，此状态下的DAB的工作波形如图 6a所示。升压模式下电感电流t0时刻电流值要小于t1时刻电流值，且此时 iL(t1)＞iL(t0)＞＞MIr，闭环移相角
Figure GDA0003679485490000111
副边开关管易实现零电压开通。变压器原边电流t0时刻和移相角
Figure GDA0003679485490000112
的关系如公式(2)：
Figure GDA0003679485490000113
变压器变比为n，等效谐振电感为L，驱动桥臂开关管输出电容为Coss， C1和C2为隔直电容，DAB的开关频率为f。
此时工作在升压三重移相的模态1，三重移相的角度值如下：D21＝1；
Figure GDA0003679485490000114
当DAB工作在升压三重移相的模态1输出功率逐渐减小，即电流给定减小，则闭环移相角
Figure GDA0003679485490000115
减小，电感电流在t0时刻值，iL(t1)＞iL(t0)＝M*Ir进入升压三重移相的模态2，在该状态下的工作波形如图6b所示，该状态下计算关系如公式(3)：
Figure GDA0003679485490000116
原边内移相角的计算公式如(4)：
Figure GDA0003679485490000121
此时工作在升压三重移相的模态2，三重移相的角度值如下：D21＝1；
Figure GDA0003679485490000122
当DAB工作在升压三重移相的模态2此时功率继续减小，即电流给定减小，则当闭环移相角
Figure GDA0003679485490000123
减小到电流满足iL(t0)＝iL(t1)＜M*Ir，且
Figure GDA0003679485490000124
进入到升压三重移相状态3下，其工作波形如图6c所示，此时副边内移相的关系式如下式(5)所示：
Figure GDA0003679485490000125
此时工作在升压三重移相的模态3，三重移相的角度值如下：D21＝1；
Figure GDA0003679485490000126
当DAB工作在升压三重移相的模态3此时功率继续减小，即电流给定减小，则当闭环移相角
Figure GDA0003679485490000127
减小到负值且满足iL(t0)＝iL(t1)＜MIr，进入到升压三重移相状态4下，其工作波形如图6d所示，其中原边内移相角的计算关系如下式(6)所示。
Figure GDA0003679485490000128
此时工作在升压三重移相的模态4，三重移相的角度值如下：D21＝1；
Figure GDA0003679485490000129
D41＝1+Ds。
在DAB工作在升压三重移相的模态4下，随着传输功率减小，即电流给定减小，闭环移相角
Figure GDA00036794854900001210
继续减小，当iL(t0)＝iL(t1)＝2Ir，且
Figure GDA00036794854900001211
时，进入升压三重移相模式5，在该模式下的工作波形如图6e所示，三重移相模式下的移相角计算如式(7)：
Figure GDA00036794854900001310
Figure GDA0003679485490000131
Dp＝1-D0
此时工作在升压三重移相的模态5，三重移相的角度值如下：D21＝1-D0；
Figure GDA0003679485490000132
D41＝1+Ds。
降压三重移相控制算法，包括：
在V1≥nV2降压移相控制，此时输出功率最大，此状态下的DAB的工作波形如图7a所示。降压模式下电感t0时刻电流值要大于t1时刻电流值，且此时 iL(t1)＞iL(t0)＞＞MIr，原边易实现零电压开通。电感电流t1时刻和移相角
Figure GDA0003679485490000133
的关系如公式(8)：
Figure GDA0003679485490000134
此时工作在降压三重移相的模态1，三重移相的角度值如下：
D21＝1
Figure GDA0003679485490000135
Figure GDA0003679485490000136
当DAB工作在降压三重移相的模态1传输功率减小，即电流给定减小，闭环移相角
Figure GDA0003679485490000137
减小，当电感电流在t1时刻满足iL(t0)＞iL(t1)＝M*Ir进入降压三重移相的模态2，在该状态下的工作波形如图7b所示，该状态下电感电流的计算关系如公式(9)：
Figure GDA0003679485490000138
此时的原边内移相角的计算公式如(10)：
Figure GDA0003679485490000139
此时工作在降压三重移相的模态2，三重移相的角度值如下：
D21＝1-Dp
Figure GDA0003679485490000141
Figure GDA0003679485490000142
当DAB工作在降压三重移相的模态2传输的功率继续减小，即电流给定减小，则闭环移相角
Figure GDA0003679485490000143
逐渐减小，当电感电流满足iL(t0)＝iL(t1)＜M*Ir时进入到降压三重移相状态3下，其工作波形如图7c所示，此时原边内移相的关系式如下式(11)所示。
Figure GDA0003679485490000144
此时工作在降压三重移相的模态3，三重移相的角度值如下：
D21＝1-Dp
Figure GDA0003679485490000145
Figure GDA0003679485490000146
当DAB工作在降压三重移相的模态3传输的功率继续减小，即电流给定减小，闭环移相角进一步减小
Figure GDA0003679485490000147
电感电流满足iL(t0)＝iL(t1)＜MIr进入到降压三重移相状态4下，其工作波形如图7d所示，其中原边内移相角的计算关系如下式(12)所示：
Figure GDA0003679485490000148
此时工作在降压三重移相的模态4，三重移相的角度值如下：
Figure GDA0003679485490000149
Figure GDA00036794854900001410
Figure GDA00036794854900001411
在DAB工作在降压三重移相的模态4下，随着传输功率减小，即电流给定减小，则闭环移相角
Figure GDA00036794854900001412
继续减小，当iL(t0)＝iL(t1)＝MIr，且Dx＜0时，进入降压三重移相模式5，在该模式下的工作波形如图7e所示，三重移相模式下的移相角计算如式(13)：
Figure GDA0003679485490000151
Figure GDA0003679485490000152
Figure GDA0003679485490000153
此时工作在降压三重移相的模态5，三重移相的角度值如下：
Figure GDA0003679485490000154
Figure GDA0003679485490000155
Figure GDA0003679485490000156
综上所述，根据本发明实施例的双有源桥电路的三重移相控制方法，根据双有源桥电路的输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择双有源桥电路的结构，根据双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和双有源桥电路的变压器的变比判断移相模式，其中，移相模式包括：降压三重移相模式、升压三重移相模式，根据双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和闭环控制量计算不同移相模式下对应的三重移相的角度，根据三重移相的角度对第一至第四驱动桥臂进行移相控制。由此，该方法根据不同电压等级选择合适的双有源桥电路拓扑，降低开关管的耐压等级，组合方式灵活、节省成本，针对选定的拓扑采用三重移相控制，能够减小开关管开通损耗，提高双有源全桥电路的工作效率。
与上述的双有源桥电路的三重移相控制方法相对应，本发明还提出一种双有源桥电路的三重移相控制装置。由于本发明的装置实施例与上述的方法实施例相对应，对应本发明中装置实施例中未披露的细节可参照上述的方法实施例，本发明中不再进行赘述。
图8是根据本发明一个实施例的双有源桥电路的三重移相控制装置的方框示意图。如图2-4所示，双有源桥电路包括：三电平加两电平结构(图2)、三电平加三电平结构(图3)、两电平加三电平结构(图4)，如图8所示，三重移相控制装置包括：选择模块1、判断模块2、计算模块3和驱动模块4。
其中，选择模块1用于根据双有源桥电路的输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择双有源桥电路的结构；；判断模块2用于根据双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和变压器的变比判断移相模式，其中，移相模式包括：降压三重移相模式、升压三重移相模式；计算模块3用于根据双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和闭环控制量计算不同移相模式下对应的三重移相的角度；驱动模块4用于根据三重移相的角度对第一至第四驱动桥臂进行移相控制。
进一步地，根据本发明的一个实施例，选择模块1具体用于：如果双有源桥电路的输入电压源的电压范围和输出电压源的电压范围均在开关管的耐压范围以上，则选择三电平加三电平结构；如果双有源桥电路的输入电压源的电压范围在开关管的耐压范围以上、且输出电压源的电压范围在开关管的耐压范围之内，则选择三电平加两电平结构；如果双有源桥电路的输入电压源的电压范围在开关管的耐压范围之内、且输出电压源的电压范围在开关管的耐压范围以上，则选择两电平加三电平结构。
图9是根据本发明一个实施例的双有源桥电路的三重移相控制装置的 DSP数字控制框图。
根据本发明实施例的双有源桥电路的三重移相控制装置，通过选择模块根据双有源桥电路输入电压源和输出电压源的电压范围选择双有源桥电路的结构，判断模块根据双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和变压器的变比判断移相模式，其中，移相模式包括：降压三重移相模式、升压三重移相模式，计算模块根据双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和闭环控制量计算不同移相模式下对应的三重移相的角度，驱动模块根据三重移相的角度对第一至第四驱动桥臂进行移相控制。由此，该装置根据不同电压等级选择合适的双有源桥电路拓扑，降低开关管的耐压等级，组合方式灵活、节省成本，针对选定的拓扑采用三重移相控制，能够减小开关管开通损耗，提高双有源全桥电路的工作效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种双有源桥电路的三重移相控制方法，其特征在于，所述双有源桥电路包括：三电平加三电平结构、三电平加两电平结构、两电平加三电平结构，所述方法包括以下步骤：
根据所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择所述双有源桥电路的结构；
根据所述双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和所述双有源桥电路的变压器的变比判断移相模式，其中，所述移相模式包括：降压三重移相模式、升压三重移相模式；
根据所述双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和闭环控制量计算不同移相模式下对应的三重移相的角度；
根据所述三重移相的角度对双有源桥电路的第一至第四驱动桥臂进行移相控制，
其中，所述三电平加两电平结构包括：
第一输入电容和第二输入电容，所述第一输入电容与所述第二输入电容串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一输入电容和所述第二输入电容之间存在第一节点；
第一驱动桥臂和第二驱动桥臂，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一驱动桥臂与所述第二驱动桥臂之间存在第二节点，所述第二节点与所述第一节点相连；
第三驱动桥臂和第四驱动桥臂，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂与输出电压源并联；
第一输出电容，所述第一输出电容与所述输出电压源并联；
变压器，所述变压器的原边绕组的同名端通过第一谐振电感和第一隔直电容与所述第一驱动桥臂的中点相连，所述变压器的原边绕组的异名端与所述第二驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的同名端通过第二隔直电容与所述第三驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的异名端通过第二谐振电感与所述第四驱动桥臂的中点相连；
所述三电平加三电平结构，包括：
第一输入电容和第二输入电容，所述第一输入电容与所述第二输入电容串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一输入电容和所述第二输入电容之间存在第一节点；
第一驱动桥臂和第二驱动桥臂，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一驱动桥臂与所述第二驱动桥臂之间存在第二节点，所述第二节点与所述第一节点相连；
第一输出电容和第二输出电容，所述第一输出电容与所述第二输出电容串联后连接在输出电压源的正负极之间，且所述第一输出电容和所述第二输出电容之间存在第三节点；
第三驱动桥臂和第四驱动桥臂，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂串联后连接在所述输出电压源的正负极之间，且所述第三驱动桥臂与所述第四驱动桥臂之间存在第四节点，所述第四节点与所述第三节点相连；
变压器，所述变压器的原边绕组的同名端通过第一谐振电感和第一隔直电容与所述第一驱动桥臂的中点相连，所述变压器的原边绕组的异名端与所述第二驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的同名端通过第二隔直电容和第二谐振电感与所述第三驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的异名端与所述第四驱动桥臂的中点相连；
所述两电平加三电平结构，包括：
第一输入电容，所述第一输入电容连接在输入电压源的正负极之间；
第一驱动桥臂和第二驱动桥臂，所述第一驱动桥臂和第二驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂与所述输入电压源并联；
第三驱动桥臂和第四驱动桥臂，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂串联后连接在输出电压源的正负极之间，且所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂之间存在第一节点；
第一输出电容和第二输出电容，所述第一输出电容和所述第二输出电容串联后连接在所述输出电压源的正负极之间，且所述第一输出电容与所述第二输出电容之间存在第二节点，所述第二节点与所述第一节点相连；
变压器，所述变压器的原边绕组的同名端通过第一隔直电容与所述第一驱动桥臂的中点相连，所述变压器的原边绕组的异名端通过第一谐振电感与所述第二驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的同名端通过第二谐振电感和第二隔直电容与所述第三驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的异名端与所述第四驱动桥臂的中点相连。
2.根据权利要求1所述双有源桥电路的三重移相控制方法，其特征在于，根据所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择所述双有源桥电路的结构，包括：
如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围和所述输出电压源的电压范围均在所述开关管的耐压范围以上，则选择三电平加三电平结构；
如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围以上、且所述输出电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围之内，则选择三电平加两电平结构；
如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围之内、且所述输出电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围以上，则选择两电平加三电平结构。
3.根据权利要求1所述双有源桥电路的三重移相控制方法，其特征在于，所述双有源桥电路在开关转换时，所述第一谐振电感或所述第二谐振电感的电流值满足如下关系式：
Figure FDA0003679485480000041
其中，iL为所述第一至第四驱动桥臂中开关管切换时刻电感的电流值，Ir为所述第一至第四驱动桥臂中开关管实现ZVS需要的电流值，Coss为所述第一至第四驱动桥臂中开关管的输出电容值，N为所述第一至第四驱动桥臂中开关管并联的个数，M为倍数余量，Vmax为原副边等效的电压最大值，L为谐振电感的电感量。
4.一种双有源桥电路的三重移相控制装置，其特征在于，所述双有源桥电路包括：三电平加三电平结构、三电平加两电平结构、两电平加三电平结构，所述装置包括：
选择模块，所述选择模块用于根据所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围、输出电压源的电压范围、开关管的耐压范围选择所述双有源桥电路的结构；
判断模块，所述判断模块用于根据所述双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和变压器的变比判断移相模式，其中，所述移相模式包括：降压三重移相模式、升压三重移相模式；
计算模块，所述计算模块用于根据所述双有源桥电路输入电压源的等效电压、输出电压源的等效电压和闭环控制量计算不同移相模式下对应的三重移相的角度；
驱动模块，所述驱动模块用于根据所述三重移相的角度对双有源桥电路的第一至第四驱动桥臂进行移相控制；
其中，所述三电平加两电平结构包括：
第一输入电容和第二输入电容，所述第一输入电容与所述第二输入电容串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一输入电容和所述第二输入电容之间存在第一节点；
第一驱动桥臂和第二驱动桥臂，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一驱动桥臂与所述第二驱动桥臂之间存在第二节点，所述第二节点与所述第一节点相连；
第三驱动桥臂和第四驱动桥臂，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂与输出电压源并联；
第一输出电容，所述第一输出电容与所述输出电压源并联；
变压器，所述变压器的原边绕组的同名端通过第一谐振电感和第一隔直电容与所述第一驱动桥臂的中点相连，所述变压器的原边绕组的异名端与所述第二驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的同名端通过第二隔直电容与所述第三驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的异名端通过第二谐振电感与所述第四驱动桥臂的中点相连；
所述三电平加三电平结构，包括：
第一输入电容和第二输入电容，所述第一输入电容与所述第二输入电容串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一输入电容和所述第二输入电容之间存在第一节点；
第一驱动桥臂和第二驱动桥臂，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂串联后连接在输入电压源的正负极之间，且所述第一驱动桥臂与所述第二驱动桥臂之间存在第二节点，所述第二节点与所述第一节点相连；
第一输出电容和第二输出电容，所述第一输出电容与所述第二输出电容串联后连接在输出电压源的正负极之间，且所述第一输出电容和所述第二输出电容之间存在第三节点；
第三驱动桥臂和第四驱动桥臂，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂串联后连接在所述输出电压源的正负极之间，且所述第三驱动桥臂与所述第四驱动桥臂之间存在第四节点，所述第四节点与所述第三节点相连；
变压器，所述变压器的原边绕组的同名端通过第一谐振电感和第一隔直电容与所述第一驱动桥臂的中点相连，所述变压器的原边绕组的异名端与所述第二驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的同名端通过第二隔直电容和第二谐振电感与所述第三驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的异名端与所述第四驱动桥臂的中点相连；
所述两电平加三电平结构，包括：
第一输入电容，所述第一输入电容连接在输入电压源的正负极之间；
第一驱动桥臂和第二驱动桥臂，所述第一驱动桥臂和第二驱动桥臂由半桥驱动模块构成，所述第一驱动桥臂和所述第二驱动桥臂与所述输入电压源并联；
第三驱动桥臂和第四驱动桥臂，所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂串联后连接在输出电压源的正负极之间，且所述第三驱动桥臂和所述第四驱动桥臂之间存在第一节点；
第一输出电容和第二输出电容，所述第一输出电容和所述第二输出电容串联后连接在所述输出电压源的正负极之间，且所述第一输出电容与所述第二输出电容之间存在第二节点，所述第二节点与所述第一节点相连；
变压器，所述变压器的原边绕组的同名端通过第一隔直电容与所述第一驱动桥臂的中点相连，所述变压器的原边绕组的异名端通过第一谐振电感与所述第二驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的同名端通过第二谐振电感和第二隔直电容与所述第三驱动桥臂的中点相连，所述变压器的副边绕组的异名端与所述第四驱动桥臂的中点相连。
5.根据权利要求4所述的双有源桥电路的三重移相控制装置，其特征在于，所述选择模块具体用于：
如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围和所述输出电压源的电压范围均在所述开关管的耐压范围以上，则选择三电平加三电平结构；
如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围以上、且所述输出电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围之内，则选择三电平加两电平结构；
如果所述双有源桥电路的输入电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围之内、且所述输出电压源的电压范围在所述开关管的耐压范围以上，则选择两电平加三电平结构。
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