CN113162388B - 一种双有源桥变换器有源软启动方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双有源桥变换器有源软启动方法、系统及存储介质，其包括：启动双有源桥变换器后，判断是否满足预先设定的第一阶段启动条件；确定第一阶段初始的外移相比D₀，原边内移相比D₁和原边内移相比D₂；判断是否达到第一阶段与第二阶段之间的临界状态，达到临界状态后，判断是否满足预先设定的第二阶段启动条件；第二阶段启动后，确定该阶段的双有源桥变换器的外移相比D′₀，原边内移相比D′₁和原边内移相比D′₂；当副边母线电压上升到额定值后，完成双有源桥变换器的软启动。本发明通过采集原副边电压，对启动过程中每个开关周期的外移相值、原边内移相值、副边内移相值进行精确控制，实现每个周期的最大功率输出。

Description

一种双有源桥变换器有源软启动方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及一种高速列车及电网中的变流器技术领域，特别是关于一种双有源桥变换器有源软启动方法、系统及存储介质。

背景技术

双有源桥变压器是一种隔离DC/DC变换器，由于其良好的高频隔离性能、软开关性能而被广泛应用于高速列车牵引变流器、辅助变流器、电网变流器等领域。双有源桥变换器能够实现直流-交流-直流的电能变换，其原边全桥可以将直流电能转换成高频交流电能，送入中/高频隔离变压器，副边将中/高频变压器输出的高频交流电重新整流成为直流电。经过这一系列变换，可以有效利用高频技术的优势，减小变换器中磁性器件体积重量，同时起到了原副边隔离的作用。双有源桥变换器的软开关性能也能帮助变换器降低损耗，提高效率。

在双有源桥变换器启动过程中，原边电压被外界供电，双有源桥副边处于失电状态。如果直接启动双有源桥工作，由于过大的增益差会带来严重的电流冲击，超过开关器件所需电流，严重时可能会损毁电路中元器件。因此，双有源桥通变换器在启动时通常需要合适的软启动策略，保证变换器的正常启动。然而，现有的软启动策略为了减少启动电流冲击，采用较为缓慢充电方法，需要花费较多的时间才能完成双有源桥的软启动过程，在对启动快速性要求较高的场合，现有的方法无法适用。

发明内容

针对上述无法快速启动的双有源桥式变换器，本发明的目的是提供一种双有源桥变换器有源软启动方法、系统及存储介质，其能够实现双有源桥变换器的快速启动，启动过程更加简单。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双有源桥变换器有源软启动方法，其包括：步骤1、启动双有源桥变换器后，判断是否满足预先设定的第一阶段启动条件，满足则进入步骤2，反之则进入步骤3；步骤2、确定第一阶段初始的外移相比D₀，原边内移相比D₁和原边内移相比D₂；步骤3、判断是否达到第一阶段与第二阶段之间的临界状态，达到临界状态后，判断是否满足预先设定的第二阶段启动条件；步骤4、第二阶段启动后，确定该阶段的双有源桥变换器的外移相比D′₀，原边内移相比D′₁和原边内移相比D′₂；步骤5、当副边母线电压上升到额定值后，完成双有源桥变换器的软启动。

进一步，所述步骤1中，预先设定的第一阶段启动条件为：

I_peak,n<4M(1-M)

式中，I_peak,n表示双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n表示变压器变比；M表示双有源桥变换器的电压增益。

进一步，所述步骤2中，在第一阶段，电感电流处于断续模式，原副边桥臂均正常工作；同一桥臂的两个开关管工作状态为互锁，开关管的占空比均为50％。

进一步，所述步骤2中，

D₀＝I_peak,n/8M，

D₁＝1-2D₀M/(1-M)，

D₂＝1-2D₀/(1-M)。

进一步，所述步骤3中，当第一阶段输出电压逐渐上升，且I_peak，n＝4M(1-M)，则达到临界状态；

其中，I_peak,n表示双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n表示变压器变比；M表示双有源桥变换器的电压增益。

进一步，所述步骤3中，预先设定的第二阶段启动条件为：I_peak,n>4M(1-M)，其中，I_peak，n表示双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n表示变压器变比；M表示双有源桥变换器的电压增益。

进一步，所述步骤4中，在第二阶段，电感电流i_L处于连续模式，原副边桥臂均正常工作；同一桥臂的两个开关管工作状态为互锁，开关管的占空比均为50％。

进一步，所述步骤4中，

D′₀＝(MI_peak,n-2(1-M)(2M-1))/(4(2M²-2M+1))，

D′₁＝(1-M)/(M(1-2D₀))，

D′₂＝0。

一种双有源桥变换器有源软启动系统，其包括：第一阶段启动判断模块、第一阶段移相比确定模块、第二阶段启动判断模块、第二阶段移相比确定模块和启动模块；

所述第一阶段启动判断模块，启动双有源桥变换器后，判断是否满足预先设定的第一阶段启动条件，满足则进入所述第一阶段移相比确定模块，反之则进入所述第二阶段启动判断模块；

所述第一阶段移相比确定模块，确定第一阶段初始的外移相比D₀，原边内移相比D₁和原边内移相比D₂；

所述第二阶段启动判断模块，判断是否达到第一阶段与第二阶段之间的临界状态，达到临界状态后，判断是否满足预先设定的第二阶段启动条件；

所述第二阶段移相比确定模块，第二阶段启动后，确定该阶段的双有源桥变换器的外移相比D′₀，原边内移相比D′₁和原边内移相比D′₂；

所述启动模块，当副边母线电压上升到额定值后，完成双有源桥变换器的软启动。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明在保证谐振电流不超过额定电流值的情况下，使双有源桥变换器在启动过程中每个周期均以最大传输能力进行功率传输，且不会发生过电流的现象，能够实现双有源桥变换器的快速启动。

2、本发明整个启动过程无需闭环控制，启动过程更加简单。

综上，本发明能应用于包含驱动开关器件且驱动开关器件能够在整个启动过程保持工作的双有源桥变换器。

附图说明

图1是本发明实施例中的启动方法流程示意图；

图2是本发明实施例中的双有源桥变换器结构示意图；

图3是本发明实施例中阶段一原副边开关管开关过程与相关电气量波形说明示意图；

图4是本发明实施例中阶段二原副边开关管开关过程与相关电气量波形说明示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种双有源桥变换器有源软启动方法及系统，将双有源桥变换器启动过程分为两个阶段，第一阶段电感电流工作在断续模式，第二阶段电感电流工作在连续模式。通过采集原副边电压，对启动过程中每个开关周期的外移相值、原边内移相值、副边内移相值进行精确控制，实现每个周期的最大功率输出。本发明能有效解决双有源桥变换器启动缓慢的问题，在保证谐振电流不超过额定电流值的情况下，每个周期均能够以最大功率传输能量，能够实现双有源桥变换器的快速启动，且整个启动过程无需闭环控制，启动过程更加简单。

在本发明的第一实施方式中，提供一种双有源桥变换器有源软启动方法，每个开关周期的启动方法相同，仅以一个开关周期为例，如图1所示，其包括以下步骤：

步骤1、启动双有源桥变换器后，判断是否满足预先设定的第一阶段启动条件，满足则进入步骤2，反之则进入步骤3；

在本实施例中，预先设定的第一阶段启动条件为：

I_peak,n<4M(1-M)

式中，I_peak,n表示双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n表示变压器变比；M表示双有源桥变换器的电压增益；

步骤2、确定第一阶段初始的外移相比D₀，原边内移相比D₁和原边内移相比D₂；

在第一阶段，电感电流i_L处于断续模式，原副边桥臂均正常工作；同一桥臂的两个开关管(S₁与S₂，S₃与S₄，S₅与S₆，S₇与S₈)工作状态为互锁(开通闭合状态相反)，开关管的占空比均为50％。

其中，

D₀＝I_peak,n/8M

D₁＝1-2D₀M/(1-M)

D₂＝1-2D₀/(1-M)

其中,D₀等于S₁开关管关断时刻与S₅开关管关断时刻时间差与一半的开关周期的比值，取值范围为(-1,1)。D₁为原边内移相比，其等于S₁开关管的关闭时刻至S₃开关管开通时刻的时间差与一半的开关周期的比值，取值范围为(0,1)。D₂为副边内移相比，其等于S₅开关管的关闭时刻至S₇开关管开通时刻的时间差与一半的开关周期的比值，取值范围为(0,1)。M为双有源桥变换器的电压增益，可以表示为：

M＝nU₂/U₁

其中，n为变压器变比，U₂为双有源桥变换器的输出电压，U₁为双有源桥变换器的输入电压。

步骤3、判断是否达到第一阶段与第二阶段之间的临界状态，达到临界状态后，判断是否满足预先设定的第二阶段启动条件；

其中，当第一阶段输出电压逐渐上升，且I_peak,n＝4M(1-M)，则达到临界状态；

预先设定的第二阶段启动条件为：I_peak,n>4M(1-M)。

步骤4、第二阶段启动后，确定该阶段的双有源桥变换器的外移相比D′₀，原边内移相比D′₁和原边内移相比D′₂；

在第二阶段，电感电流i_L处于连续模式，原副边桥臂均正常工作；同一桥臂的两个开关管(S₁与S₂，S₃与S₄，S₅与S₆，S₇与S₈)工作状态为互锁(开通闭合状态相反)，开关管的占空比均为50％。

其中，

D′₀＝(MI_peak,n-2(1-M)(2M-1))/(4(2M²-2M+1))

D′₁＝(1-M)/(M(1-2D₀))

D′₂＝0

步骤5、当副边母线电压上升到额定值后，完成双有源桥变换器的软启动。

上述实施例中，当执行完一个开关周期后，返回步骤1继续执行下一个开关周期。

上述实施例中，在执行步骤1之前，预先将双有源桥变换器的启动过程划分为第一阶段和第二阶段两个阶段，且在两个阶段中原副边桥臂均工作。

在本发明的第二实施方式中，提供一种双有源桥变换器有源软启动系统，其包括：第一阶段启动判断模块、第一阶段移相比确定模块、第二阶段启动判断模块、第二阶段移相比确定模块和启动模块；

第一阶段启动判断模块，启动双有源桥变换器后，判断是否满足预先设定的第一阶段启动条件，满足则进入第一阶段移相比确定模块，反之则进入第二阶段启动判断模块；

第一阶段移相比确定模块，确定第一阶段初始的外移相比D₀，原边内移相比D₁和原边内移相比D₂；

第二阶段启动判断模块，判断是否达到第一阶段与第二阶段之间的临界状态，达到临界状态后，判断是否满足预先设定的第二阶段启动条件；

第二阶段移相比确定模块，第二阶段启动后，确定该阶段的双有源桥变换器的外移相比D′₀，原边内移相比D′₁和原边内移相比D′₂；

启动模块，当副边母线电压上升到额定值后，完成双有源桥变换器的软启动。

在本发明的第三实施方式中，提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行如第一实施方式中的任一方法。

在本发明的第四实施方式中，提供一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为一个或多个处理器执行，一个或多个程序包括用于执行如第一实施方式中的任一方法的指令。

实施例：

如图2所示，是本发明适用的一种双有源桥变换器，该双有源桥变换器包含输入电容C₁，原边全桥单元，副边全桥单元，中/高频隔离变压器T，原边电感L₁，副边电感L₂，输出电容C₂组成。原边全桥单元包含四个开关管S₁-S₄，副边全桥单元包含四个开关管S₅-S₈。原边电感L₁，副边电感L₂也可以由隔离变压器T的漏感代替。变压器变比为n：1。原边输入电压为U₁，副边输出电压为U₂，u_AB为原边桥臂端口电压，u_CD为副边桥臂端口电压。

如图3所示，是本发明的第一阶段原副边开关管开关过程与相关电气量波形说明示意图。波形1为S₁与S₂的开关动作，当波形为高时表示S₁开通，S₂关断；当波形为低时表示S₁关断，S₂开通。波形2为S₃与S₄的开关动作，当波形为高时表示S₃开通，S₄关断；当波形为低时表示S₃关断，S₄开通。波形3为S₅与S₆的开关动作，当波形3为高时表示S₅开通，S₆关断；当波形3为低时表示S₅关断，S₆开通。波形4为S₇与S₈的开关动作，当波形为高时表示S₇开通，S₈关断；当波形为低时表示S₇关断，S₈开通。波形5表示原边桥臂端口电压u_AB的波形，在当前控制情况下波形为三电平电压。波形6为副边桥臂端口电压u_CD波形，呈现为两电平正负电压。波形7为电感L₁上的电流i_L，该电流小于双有源桥变换器限定的最大电流，电感L₁上的电流处于断续状态，为正负半周期的三角波。

t₁-t₈为开关的动作时刻，t₃为开关管S₁的关断时刻，t₄为开关管S₅的关断时刻，t₆为开关管S₃与S₇的开通时刻，T_s为一个开关周期。D₀为外移相比，D₁为原边内移相比，D₂为副边内移相比，D₀、D₁、D₂可以表示为

D₀T_s/2＝t₄-t₃

D₁T_s/2＝t₅-t₃

D₂T_s/2＝t₅-t₄

如图4所示，是本发明的第二阶段原副边开关管开关过程与相关电气量波形说明示意图。波形1为S₁与S₂的开关动作，当波形为高时表示S₁开通，S₂关断；当波形为低时表示S₁关断，S₂开通。波形2为S₃与S₄的开关动作，当波形为高时表示S₃开通，S₄关断；当波形为低时表示S₃关断，S₄开通。开关管S₁始终与开关管S₃的开关动作相反。波形3为S₅与S₆的开关动作，当波形为高时表示S₅开通，S₆关断；当波形为低时表示S₅关断，S₆开通。波形4为S₇与S₈的开关动作，当波形为高时表示S₇开通，S₈关断；当波形为低时表示S₇关断，S₈开通。波形5表示原边桥臂端口电压u_AB的波形，呈现为三电平电压。波形6为副边桥臂端口电压u_CD波形，呈现为两电平正负电压。波形7为电感L₁上的电流i_L。t₁-t₉为开关的动作时刻，t₁为开关管S₁的开通时刻，t₂为开关管S₃的关断时刻，t₄为开关管S₁的关断时刻，t₆为开关管S₅的关断时刻，T_s为一个开关周期。D₀为原副边桥臂外移相值，D₁为原边内移相比，D₀、D₁可以表示为

D₀T_s/2＝t₆-t₄

D₁T_s/2＝t₂-t₁

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (6)

1.一种双有源桥变换器有源软启动方法，其特征在于，包括：

步骤1、启动双有源桥变换器后，判断是否满足预先设定的第一阶段启动条件，满足则进入步骤2，反之则进入步骤3；

步骤2、确定第一阶段初始的外移相比D₀，原边内移相比D₁和原边内移相比D₂；

步骤3、判断是否达到第一阶段与第二阶段之间的临界状态，达到临界状态后，判断是否满足预先设定的第二阶段启动条件；

步骤4、第二阶段启动后，确定该阶段的双有源桥变换器的外移相比D′₀，原边内移相比D′₁和原边内移相比D′₂；

步骤5、当副边母线电压上升到额定值后，完成双有源桥变换器的软启动；

所述步骤1中，预先设定的第一阶段启动条件为：

I_peak，n＜4M(1-M)

式中，I_peak，n表示双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n表示变压器变比；M表示双有源桥变换器的电压增益；

所述步骤2中，

D₀＝I_peak，n/8M，

D₁＝1-2D₀M/(1-M)，

D₂＝1-2D₀/(1-M)；

所述步骤3中，预先设定的第二阶段启动条件为：I_peak，n＞4M(1-M)，其中，I_peak，n表示双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n表示变压器变比；M表示双有源桥变换器的电压增益；

所述步骤4中，

D′₀＝(MI_peak，n-2(1-M)(2M-1))/(4(2M²-2M+1))，

D′₁＝(1-M)/(M(1-2D₀))，

D′₂＝0。

2.如权利要求1所述有源软启动方法，其特征在于，所述步骤2中，在第一阶段，电感电流处于断续模式，原副边桥臂均正常工作；同一桥臂的两个开关管工作状态为互锁，开关管的占空比均为50％。

3.如权利要求1所述有源软启动方法，其特征在于，所述步骤3中，当第一阶段输出电压逐渐上升，且I_peak，n＝4M(1-M)，则达到临界状态；

其中，I_peak，n表示双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n表示变压器变比；M表示双有源桥变换器的电压增益。

4.如权利要求1所述有源软启动方法，其特征在于，所述步骤4中，在第二阶段，电感电流i_L处于连续模式，原副边桥臂均正常工作；同一桥臂的两个开关管工作状态为互锁，开关管的占空比均为50％。

5.一种双有源桥变换器有源软启动系统，其特征在于，包括：第一阶段启动判断模块、第一阶段移相比确定模块、第二阶段启动判断模块、第二阶段移相比确定模块和启动模块；

所述第一阶段启动判断模块，启动双有源桥变换器后，判断是否满足预先设定的第一阶段启动条件，满足则进入所述第一阶段移相比确定模块，反之则进入所述第二阶段启动判断模块；

所述第一阶段移相比确定模块，确定第一阶段初始的外移相比D₀，原边内移相比D₁和原边内移相比D₂；

所述第二阶段启动判断模块，判断是否达到第一阶段与第二阶段之间的临界状态，达到临界状态后，判断是否满足预先设定的第二阶段启动条件；

所述第二阶段移相比确定模块，第二阶段启动后，确定该阶段的双有源桥变换器的外移相比D′₀，原边内移相比D′₁和原边内移相比D′₂；

所述启动模块，当副边母线电压上升到额定值后，完成双有源桥变换器的软启动；

所述预先设定的第一阶段启动条件为：

I_peak，n＜4M(1-M)

式中，I_peak，n表示双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n表示变压器变比；M表示双有源桥变换器的电压增益；

其中，

D₀＝I_peak，n/8M，

D₁＝1-2D₀M/(1-M)，

D₂＝1-2D₀/(1-M)；

所述预先设定的第二阶段启动条件为：I_peak，n＞4M(1-M)，其中，I_peak，n表示双有源桥变换器限定的最大电流的标幺值，n表示变压器变比；M表示双有源桥变换器的电压增益；

其中，

D′₀＝(MI_peak，n-2(1-M)(2M-1))/(4(2M²-2M+1))，

D′₁＝(1-M)/(M(1-2D₀))，

D′₂＝0。

6.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至4所述方法中的任一方法。

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