CN113794383B - 一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法。步骤包括：观测待化简的双有源全桥电路中所有开关管的驱动信号；判断是否有驱动信号相同开关管，若是，则进入下一步，若否，则无法化简；将待化简的双有源全桥电路建模成为自定义符号矩阵；将自定义符号矩阵化简为新的自定义符号矩阵；将新的自定义符号矩阵还原为新的双有源全桥电路；计算待化简的双有源全桥电路中被合并的开关管的电流路径P_old、新的双有源全桥电路中合并后的开关管的电流路径P_new；判断P_old是否与P_new相同，若是，则化简成功，若否，则无法化简。本发明可以在保留双有源全桥电路输出特性的基础上，化简电路，减少开关管，从而节约了成本并提高电路的能量密度。

Description

一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法

技术领域

本发明涉及双有源全桥电路技术领域，具体涉及一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法。

背景技术

在能源危机和环境污染问题日益严峻的时代背景下，各种各样的双有源全桥电路在分布式新能源发电系统、电动汽车和航空航天中得到了广泛的应用。因此，人们对双有源全桥电路的效率、成本和稳定性提出了更高的要求。然而双有源全桥电路极为复杂，往往有着大量冗余的器件。冗余的器件会导致电路的低效率、高成本和低稳定性，因此，研究者们致力于寻找简化的双有源全桥电路。

但是，大多数双有源全桥电路的简化通常严重依赖于研究者的经验或灵感。研究者们对简化的双有源全桥电路有着很好的总结，但没有提出一种系统化的双有源全桥电路化简方法。

因此，迫切需要一种系统化的方法来化简双有源全桥电路中的冗余器件。这有助于提高设计效率，并且提高双有源全桥电路的稳定性、能量密度，降低其制造成本。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出了一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法。

具体地，所述方法包括以下步骤：

S1：观测待化简的双有源全桥电路A中各个开关管驱动信号的频率和占空比；

S2：判断是否有驱动信号的频率和占空比都相同的第一开关管Q₁和第二开关管Q₂，若是，则进入S3，若否，则待化简的双有源全桥电路A无法被化简；

S3：将待化简的双有源全桥电路A建模成为自定义符号矩阵G_c；具体包括以下步骤：

S3.1：将待化简的双有源全桥电路A抽象成自定义符号有向图；

S3.2：将自定义符号有向图建模成自定义符号矩阵G_c；

其中，自定义符号矩阵具体为：

每一个自定义符号有向图都可以被建模为唯一的自定义符号矩阵；自定义符号矩阵为N×N的矩阵，其中N为自定义符号有向图的节点数；矩阵元素a_ij定义为：

上式中，e_ij是连接节点i和j的器件；c是导通因子，

是非导通因子，它们只存在于开关管Q和二极管D前面，c的取值为1或0，

c存在于被合并的开关管前面，然后，剩余的二极管和开关管若导通顺序与合并后的开关管相同，将c放置在它们前面；若导通顺序与合并后的开关管相反，则将

放置在它们前面；具有c的器件和具有

的器件不同时导通；双向器件在自定义符号矩阵中均存在互为对角的矩阵元素相同；

S4：将自定义符号矩阵G_c化简为新的自定义符号矩阵G_c,new；具体包括以下步骤：

S4.1：将自定义符号矩阵G_c的第m行加到第i行，得到第一过渡自定义符号矩阵G_c1；

S4.2：将第一过渡自定义符号矩阵G_c1的第m列加到第i列，得到第二过渡自定义符号矩阵G_c2；

S4.3：将第二过渡自定义符号矩阵G_c2的第n行加到第j行，得到第三过渡自定义符号矩阵G_c3；

S4.4：将第三过渡自定义符号矩阵G_c3的第n列加到第j列，得到第四过渡自定义符号矩阵G_c4；

S4.5：删掉第四过渡自定义符号矩阵G_c4的第m行、第n行、第m列和第n列，并且将Q₁+Q₂用第三开关管Q₃代替，得到新的自定义符号矩阵G_c,new；

S5：将新的自定义符号矩阵G_c,new还原为新的双有源全桥电路A_new；具体包括以下步骤：

S5.1：将新的自定义符号矩阵G_c,new还原为新的自定义符号有向图；

S5.2：将新的自定义符号有向图具象为新的双有源全桥电路A_new；

S6：计算待化简的双有源全桥电路A中被合并的第一开关管Q₁、第二开关管Q₂的电流路径P_old，再计算新的双有源全桥电路A_new中合并后的第三开关管Q₃的电流路径P_new；具体包括以下步骤：

S6.1：求出自定义符号矩阵G_c中第i行第j列的元素a_ij的余子式M_ij、第j行第i列的元素a_ji的余子式M_ji、第m行第n列的元素a_mn的余子式M_mn、第n行第m列的元素a_nm的余子式M_nm；

S6.2：计算待化简的双有源全桥电路A中被合并的第一开关管Q₁、第二开关管Q₂的电流路径P_old＝a_ijM_ij+a_jiM_ji+a_mnM_mn+a_nmM_nm；

S6.3：求出新的自定义符号矩阵G_c,new中第i行第j列的元素a_ij的余子式M_ij和第j行第i列的元素a_ji的余子式M_ji；

S6.4：计算新的双有源全桥电路A_new中合并后的第三开关管Q₃的电流路径P_new＝a_ijM_ij+a_jiM_ji；

S7：判断P_old是否与P_new相同，若是，则A_new即为化简后的双有源全桥电路，若否，则待化简的双有源全桥电路A无法被化简。

所述自定义符号有向图具体为：

每一个电路图都可以被抽象为唯一的自定义符号有向图。一个自定义符号有向图G(V,E)包括两个有限集合V和E，其中，V＝{V₁,V₂,…,V_N}是所有节点的集合，E＝{E₁,E₂,…,E_N}是所有连接节点的边的集合。边的方向取决于边所代表的器件的电气特性，如果电流只能从一个方向流到另一个方向，那么此器件为单向器件，该边为单向边；如果电流在此器件上能够双向流通，那么此器件为双向器件，该边为双向边。由于MOS管上会有反并联的体二极管，因此MOS管被认为是双向器件。而边的方向为电流能够流通的方向。

优选地，S3.1具体为：

将待化简的双有源全桥电路A中连接两个器件的节点视为自定义符号有向图的节点。待化简的双有源全桥电路A中的器件被视为自定义符号有向图的边，而它们的方向用箭头表示。

优选地，S3.2具体为：

首先为自定义符号有向图的节点编号，得出自定义符号矩阵的阶数。再根据自定义符号矩阵元素的定义，建模出自定义符号有向图的自定义符号矩阵G_c。

优选地，S5.1具体为：

新的自定义符号矩阵G_c,new的阶数即为新的自定义符号有向图的节点数。根据自定义符号矩阵的定义和自定义符号有向图的定义，还原的新的自定义符号有向图。

优选地，S5.2具体为：

首先将新的自定义符号有向图的节点视为新的双有源全桥电路A_new中连接两个器件的节点。再将新的自定义符号有向图的边视为新的双有源全桥电路A_new中的器件。

求电路路径时应该遵守电路路径化简原则，具体为：

在所有电流路径中，如果其中一条电流路径包含另一条电流路径，则删除被包含的电流路径；此外，具有所述导通因子c的器件和具有所述非导通因子

的器件不同时导通。因此，如果电路路径同时包含c和

则删除该电流路径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法的流程图；

图2为交错并联的双向boost变换器级联电压源型双有源全桥变换器的电路图；

图3为交错并联的双向boost变换器级联电压源型双有源全桥变换器的自定义符号有向图；

图4为新的自定义符号有向图；

图5为化简后的电路图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，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。

本申请实施例提供了一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法，用于化简双有源全桥电路，消除冗余器件，从而提高变换器的功率密度以及降低变换器的制造成本。

本发明的一种典型实施例，以化简交错并联的双向boost变换器级联电压源型双有源全桥变换器的电路(以下简称为级联电路)为例，图2即为交错并联的双向boost变换器级联电压源型双有源全桥变换器的电路。

S1：观测级联电路中各个开关管驱动信号的频率和占空比。

S2：第一开关管Q₁和第五开关管Q₅的驱动信号有着相同的驱动信号和占空比，第二开关管Q₂和第六开关管Q₆的驱动信号有着相同的驱动信号和占空比，第三开关管Q₃和第七开关管Q₇的驱动信号有着相同的驱动信号和占空比、第四开关管Q₄和第八开关管Q₈的驱动信号有着相同的驱动信号和占空比，进入S3。

S3：将级联电路建模成为自定义符号矩阵G_c：

S3.1：将级联电路中连接两个器件的节点视为自定义符号有向图的节点。将级联电路中的器件视为自定义符号有向图的边，而它们的方向用箭头表示，得到如图3所示的级联电路的自定义符号有向图。

S3.2：为自定义符号有向图的节点编号，得出自定义符号矩阵的阶数为7。再根据自定义符号矩阵元素的定义，建模出自定义符号有向图的自定义符号矩阵G_c。自定义符号矩阵G_c如下所示。

S4：将自定义符号矩阵G_c化简为新的自定义符号矩阵G_c,new：

S4.1：将自定义符号矩阵G_c的第5行加到第2行，得到第一过渡自定义符号矩阵G_c1。第一过渡自定义符号矩阵G_c1如下所示。

S4.2：将第一过渡自定义符号矩阵G_c1的第5列加到第2列，得到第二过渡自定义符号矩阵G_c2。第二过渡自定义符号矩阵G_c2如下所示。

S4.3：将第二过渡自定义符号矩阵G_c2的第6行加到第3行，得到第三过渡自定义符号矩阵G_c3。第三过渡自定义符号矩阵G_c3如下所示。

S4.4：将第三过渡自定义符号矩阵G_c3的第6列加到第3列，得到第四过渡自定义符号矩阵G_c4。第四过渡自定义符号矩阵G_c4如下所示。

S4.5：删掉第四过渡自定义符号矩阵G_c4的第5行、第6行、第5列和第6列，并且将Q₁+Q₅用第十三开关管Q₁₃代替、Q₂+Q₆用第十四开关管Q₁₄代替、Q₃+Q₇用第十五开关管Q₁₅代替、Q₄+Q₈用第十六开关管Q₁₆代替，得到新的自定义符号矩阵G_c,new。新的自定义符号矩阵G_c,new如下所示。

S5：将新的自定义符号矩阵G_c,new还原为新的双有源全桥电路A_new：

S5.1：新的自定义符号矩阵G_c,new的阶数即为新的自定义符号有向图的节点数。根据自定义符号矩阵的定义和自定义符号有向图的定义，还原的新的自定义符号有向图。新的自定义符号有向图如图4所示。

S5.2：首先将新的自定义符号有向图的节点视为新的双有源全桥电路A_new中连接两个器件的节点。再将新的自定义符号有向图的边视为新的双有源全桥电路A_new中的器件。将新的自定义符号有向图具象为如图5所示的新的双有源全桥电路A_new。

S6：计算级联电路A中被合并的第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄、第五开关管Q₅、第六开关管Q₆、第七开关管Q₇、第八开关管Q₈的电流路径P_old，再计算新的双有源全桥电路A_new中合并后的第十三开关管Q₁₃、第十四开关管Q₁₄、第十五开关管Q₁₅、第十六开关管Q₁₆的电流路径P_new。如下所示。

S7：可以看出，P_old与P_new相同，A_new即为化简后的双有源全桥电路。

Claims (7)

1.一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：观测待化简的双有源全桥电路A中各个开关管驱动信号的频率和占空比；

S2：判断是否有驱动信号的频率和占空比都相同的第一开关管Q₁和第二开关管Q₂，若是，则进入S3，若否，则待化简的双有源全桥电路A无法被化简；

S3：将待化简的双有源全桥电路A建模成为自定义符号矩阵G_c；具体包括以下步骤：

S3.1：将待化简的双有源全桥电路A抽象成自定义符号有向图；

S3.2：将自定义符号有向图建模成自定义符号矩阵G_c；

其中，自定义符号矩阵具体为：

每一个自定义符号有向图都可以被建模为唯一的自定义符号矩阵；自定义符号矩阵为N×N的矩阵，其中N为自定义符号有向图的节点数；矩阵元素a_ij定义为：

上式中，e_ij是连接节点i和j的器件；c是导通因子，

是非导通因子，它们只存在于开关管Q和二极管D前面，c的取值为1或0，

c存在于被合并的开关管前面，然后，剩余的二极管和开关管若导通顺序与合并后的开关管相同，将c放置在它们前面；若导通顺序与合并后的开关管相反，则将

放置在它们前面；具有c的器件和具有

的器件不同时导通；双向器件在自定义符号矩阵中均存在互为对角的矩阵元素相同；

S4：将自定义符号矩阵G_c化简为新的自定义符号矩阵G_c,new；具体包括以下步骤：

S4.1：将自定义符号矩阵G_c的第m行加到第i行，得到第一过渡自定义符号矩阵G_c1；

S4.2：将第一过渡自定义符号矩阵G_c1的第m列加到第i列，得到第二过渡自定义符号矩阵G_c2；

S4.3：将第二过渡自定义符号矩阵G_c2的第n行加到第j行，得到第三过渡自定义符号矩阵G_c3；

S4.4：将第三过渡自定义符号矩阵G_c3的第n列加到第j列，得到第四过渡自定义符号矩阵G_c4；

S4.5：删掉第四过渡自定义符号矩阵G_c4的第m行、第n行、第m列和第n列，并且将Q₁+Q₂用第三开关管Q₃代替，得到新的自定义符号矩阵G_c,new；

S5：将新的自定义符号矩阵G_c,new还原为新的双有源全桥电路A_new；具体包括以下步骤：

S5.1：将新的自定义符号矩阵G_c,new还原为新的自定义符号有向图；

S5.2：将新的自定义符号有向图具象为新的双有源全桥电路A_new；

S6：计算待化简的双有源全桥电路A中被合并的第一开关管Q₁、第二开关管Q₂的电流路径P_old，再计算新的双有源全桥电路A_new中合并后的第三开关管Q₃的电流路径P_new；具体包括以下步骤：

S6.1：求出自定义符号矩阵G_c中第i行第j列的元素a_ij的余子式M_ij、第j行第i列的元素a_ji的余子式M_ji、第m行第n列的元素a_mn的余子式M_mn、第n行第m列的元素a_nm的余子式M_nm；

S6.2：计算待化简的双有源全桥电路A中被合并的第一开关管Q₁、第二开关管Q₂的电流路径P_old＝a_ijM_ij+a_jiM_ji+a_mnM_mn+a_nmM_nm；

S6.3：求出新的自定义符号矩阵G_c,new中第i行第j列的元素a_ij的余子式M_ij和第j行第i列的元素a_ji的余子式M_ji；

S6.4：计算新的双有源全桥电路A_new中合并后的第三开关管Q₃的电流路径P_new＝a_ijM_ij+a_jiM_ji；

S7：判断P_old是否与P_new相同，若是，则新的双有源全桥电路A_new即为化简后的双有源全桥电路，若否，则待化简的双有源全桥电路A无法被化简。

2.根据权利要求1所述的基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法，其特征在于，自定义符号有向图具体为：

每一个电路图都可以被抽象为唯一的自定义符号有向图，一个自定义符号有向图G(V,E)包括两个有限集合V和E，其中，V＝{V₁,V₂,…,V_N}是所有节点的集合，E＝{E₁,E₂,…,E_N}是所有连接节点的边的集合；边的方向取决于边所代表的器件的电气特性，如果电流只能从一个方向流到另一个方向，那么此器件为单向器件，该边为单向边；如果电流在此器件上能够双向流通，那么此器件为双向器件，该边为双向边；由于MOS管上会有反并联的体二极管，因此MOS管被认为是双向器件；而边的方向为电流能够流通的方向。

3.根据权利要求1所述的基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法，其特征在于，S3.1具体为：

将待化简的双有源全桥电路A中连接两个器件的节点视为自定义符号有向图的节点，待化简的双有源全桥电路A中的器件被视为自定义符号有向图的边，而它们的方向用箭头表示。

4.根据权利要求1所述的基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法，其特征在于，S3.2具体为：

首先为自定义符号有向图的节点编号，得出自定义符号矩阵的阶数，再根据自定义符号矩阵元素的定义，建模出自定义符号有向图的自定义符号矩阵G_c。

5.根据权利要求1所述的基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法，其特征在于，S5.1具体为：

新的自定义符号矩阵G_c,new的阶数即为新的自定义符号有向图的节点数；根据自定义符号矩阵的定义和自定义符号有向图的定义，还原为 新的自定义符号有向图。

6.根据权利要求1所述的基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法，其特征在于，S5.2具体为：

首先将新的自定义符号有向图的节点视为新的双有源全桥电路A_new中连接两个器件的节点，再将新的自定义符号有向图的边视为新的双有源全桥电路A_new中的器件。

7.根据权利要求1所述的基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法，其特征在于，求电路路径时应该遵守电路路径化简原则，具体为：

在所有电流路径中，如果其中一条电流路径包含另一条电流路径，则删除被包含的电流路径；此外，具有所述导通因子c的器件和具有所述非导通因子

的器件不同时导通；因此，如果电路路径同时包含c和

则删除该电流路径。

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