CN114006541B - 一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明直流变换器控制技术领域，公开了一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，包括如下步骤：步骤1、设置双有源半桥直流变换器的工作状态范围和电路参数；步骤2、根据所述双有源半桥直流变换器的工作状态分析所述双有源半桥直流变换器的若干操作模式，从而得到每个操作模式所对应的功率电流模型；步骤3、根据所述操作模式所对应的功率电流模型，设计出不同功率要求下的数学模型；步骤4、将所述双有源半桥直流变换器的初始的工作状态带入所述数学模型，以对所述双有源半桥直流变换器进行控制。本发明能够很容易地找出对应最优的控制变量，使得直流变换器的峰值电流达到最小，提升了双有源半桥直流变换器的稳定性。

Description

一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法

技术领域

本发明涉及直流变换器控制技术领域，具体涉及一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法。

背景技术

随着国民经济的飞速发展，对能源的需求和消耗越来越大，同时面临着环境污染的严重问题，传统的化石能源已经无法满足社会的要求。为了缓解能源危机和环境污染，可再生能源得以迅速发展，例如风能、水能和太阳能等。虽然可再生能源具有可再生、无污染等优点，但是由于可再生能源受环境和天气影响较大，可再生能源具有随机性和间歇性的缺陷。

为了给用户提供稳定可靠的供电，一般要将这种可再生能源发电与储能装置结合到一起，而储能装置与直流母线直接需要通过一个双向的DC-DC变换器来实现能量的双向传输。

双有源桥全桥(dual-active-bridge,DAB型)直流变换器由于其有电气隔离、宽电压传输范围和易于实现软开关(zero-voltage-switching,ZVS)等优点，广泛应用于高功率密度下的能量双向传输中，而双有源半桥(dual-active-half-bridge,DAHB型)直流变换器相比于双有源全桥变换器，更低的造价、更低的设备体积，同时由于电容的存在，使得变压器的电磁电流不存在直流分量，大大减少了变换器的损耗。因此双有源半桥变换器更适用于低功率水平(低于750W)的能量传输中。

双有源半桥(dual-active-half-bridge,DAHB型)直流变换器的拓扑结构如图1所示，它包含一个高频变压器，一个串联电感，两个开关管(Q1、Q2)和两个电容(C1、C2)作为输入侧，另两个开关管(Q3、Q4)和两个电容(C3、C4)作为输出侧。通过控制输入侧桥臂和输出侧桥臂开关顺序来控制原边桥臂和副边桥臂的占空比D1、D2以及开关相位差D3。通过控制D3的正负来控制功率的流向。

在传统的双有源半桥直流变换器的移相控制方式中，控制每个桥臂的两个开关器件采用互补的开关模式，每组桥臂上下两个开关管的导通时间各占一个周期的一半，每个开关器件的导通相位均为180°(忽略死区时间)。通过控制两个桥臂间的开关相位差来控制传输功率的大小。这种控制方式就是最简单的单重移相控制(single-phase-shift,SPS)，只存在一个自由度，然而单重移相控制只有在电压传输比为1的情况下才能实现全负载范围内的软开关。同时在轻载的情况下，单重移相控制会存在较高的环流，增大了直流变换器的功率损耗。

为了解决单重移相控制存在的缺陷同时改善直流变换器的性能，近年来提出了许多优化的控制策略，其中比较有代表性的控制策略就是双重移相控制(dual-phase-shift,DPS)，扩展移相控制(extended-phase-shift,EPS)和三重移相控制(triple-phase-shift,TPS)。DPS和EPS存在两个自由度，可以通过减小直流变换器的无功功率来改善系统的性能，但是DPS和EPS控制优化结果会导致局部最优。TPS相比于前两种控制策略，采用了三个自由度作为控制变量，在策略上更加灵活，并且可以实现全负载范围内的软开关。但是目前大多数研究是以减小直流变换器的电感均方根电流为优化目标，目的是为了减小直流变换器的传导损耗。例如文献“RL-ANN Based Minimum-Current-Stress Scheme for the DualActive Bridge Converter with Triple-Phase-Shift Control."IEEE Journal ofEmerging and Selected Topics in Power Electronics.,early access,doi:10.1109/JESTPE.2021.3071724.”提出了一直基于DAB直流变换器的优化策略。而直流变换器的峰值电流直接影响到开光管的耐压耐流值，对直流变换器的造价以及寿命有着至关重要的影响。目前在双有源半桥直流变换器方面鲜有对峰值电流优化的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，通过对双有源半桥直流变换器峰值电流进行数学上的推导得出控制双有源半桥直流变换器的控制变量，进而实现双有源半桥直流变换器的优化控制。

本发明通过下述技术方案实现：

一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，包括如下步骤：

步骤1、设置双有源半桥直流变换器的工作状态范围和电路参数；

步骤2、根据所述双有源半桥直流变换器的工作状态分析所述双有源半桥直流变换器的若干操作模式，从而得到每个操作模式所对应的功率电流模型，以对不同操作模式下的峰值电流和功率进行计算；

步骤3、根据所述操作模式所对应的功率电流模型，设计出不同功率要求下的数学模型，通过所述数学模型，在给定的功率下，能够计算出使得所述双有源半桥直流变换器的峰值电流达到最小值的各个开关管的相位差的取值，且能够满足所有开关管达到软开关的条件；

步骤4、将所述双有源半桥直流变换器的初始的工作状态带入所述数学模型，以对所述双有源半桥直流变换器进行控制。

作为优化，步骤1的具体操作步骤如下：

步骤1.1、根据所述双有源半桥直流变换器的工作状态，设置所述双有源半桥直流变换器输入侧电压V1的范围、输出侧电压V2的范围和期望的传输功率P的范围，并根据所述双有源半桥直流变换器输入侧电压V1的范围、输出侧电压V2的范围和期望的传输功率P的范围设置双有源半桥直流变换器的变压器型号、电感型号、电容型号、开关管型号和开关频率，同时选取变压器原副边匝比；

步骤1.2、设置控制电路参数，采用控制器驱动所述双有源半桥直流变换器的四只开关管，并分别设置所述双有源半桥直流变换器中的第一个桥臂上下两个开关管的第一相位差D1、第二个桥臂上下两个开关管的第二相位差D2和第一个桥臂与第二个桥臂上边开关管的第三相位差D3的约束条件。

作为优化，所述第一相位差D1、第二相位差D2、第三相位差D3的范围均为[-1，1]。

作为优化，步骤2中，根据D1、D2和D3的范围，以及三者的相对大小关系，将双有源半桥直流变换器的工作状态分为9个操作模式，分别为M₁-M₉，所述功率电流模型包括功率模型和峰值电流模型，其中，功率模型P为：

所述峰值电流模型为：

其中V_g1和V_g2分别代表输入输出侧初始电压，k代表变压器原副边匝比。

作为优化，所述9个操作模式分别为：

作为优化，所述数学模型的设计过程具体为：

步骤3.1、设置所述双有源半桥直流变换器的目标函数：

min i_p(stress)[max(i₀,i₁,i₂,i₃)]；

其中，i_p(stress)是变压器一次侧的电感的峰值电流；

步骤3.2、设置所述双有源半桥直流变换器的约束条件：

/>

其中，P(D₁，D₂，D₃)为功率约束，P_ref是功率的参考值，Z_j(D₁，D₂，D₃)为满足四个开关管软开关条件的电流约束，Z_j分布代表四个开关管开通瞬间的电流；

步骤3.3、通过所述步骤3.1、步骤3.2以及所述峰值电流模型，得到数学模型如下：

作为优化，对所述数学模型带入KKT条件中进行求解，得到在给定的功率下，使得双有源半桥直流变换器的峰值电流达到最小值的D₁、D₂和D₃的取值，同时四个所述开关管均达到能够软开关的条件。

作为优化，步骤4的具体实现步骤为：

步骤4.1、根据所述双有源半桥直流变换器的初始状态得到所述双有源半桥直流变换器的初始条件，所述初始条件包括输入侧电压V₁的初始值、输出侧电压V₂的初始值和传输功率P的初始值；

步骤4.2、通过所述初始条件选择最优的操作模式，再通过所述数学模型，得到第一相位差D1、第二相位差D2、第三相位差D3；

步骤4.3、实时采集所述双有源半桥直流变换器的输入侧电压V₁的数值、输出侧电压V₂的数值以及传输功率P的数值，将电感电流作为内环控制，输出电压作为外环控制，采用电压电流双闭环的控制方式，通过控制器对得到双有源半桥直流变换器的控制参数D₁、D₂和D₃进行实时监控，使得在不同的传输功率下，控制参数D₁、D₂和D₃可以得到实时的调控，以保证电感的峰值电流达到最小值。

作为优化，所述控制器为DSP控制器。

作为优化，步骤4.2中，所述最优的操作模式为在同一给定功率条件下，峰值电流最小的模式。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明运用KKT方法对双有源半桥直流变换器的峰值电流进行求解，能够很容易地找出对应最优的控制变量，使得直流变换器的峰值电流达到最小，提升了双有源半桥直流变换器的稳定性；

2.在闭环控制中，通过将采样得到的I，V₂，P所对应的值在数学优化得到的模型结果搜索，得到在新的功率下能够实现峰值电流最小的控制参数D₁、D₂和D₃的具体数值，通过数字控制器对不同功率下的变换器进行实时的控制，使得直流变换器始终工作在最优的工作状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。在附图中：

图1是双有源半桥直流变换器的拓扑结构图；

图2是双有源半流变换器的输入侧桥臂和输出侧桥臂的电压和电流波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，双有源半桥直流变换器包含一个高频电源变压器，一个串联电感，一个输入侧半桥和一个输出侧半桥。其中输入侧半桥包括一个桥臂，其中包括2个开关器件，即开关器件Q₁和开关器件Q₂，同时电容C₁和C₂相互串联组成另外一条支路，这条支路与输入侧桥臂并联；输出侧半桥包括一个桥臂，其中包括2个开关器件，即开关器件Q₃和开关器件Q₄，同时电容C₃和C₄相互串联组成另外一条支路，这条支路与输出侧桥臂并联；每个桥臂中的两个开关器件采用互补的开关模式，每个开关器件的导通相位均为180°(忽略死区时间)。

如图2所示，通过输入侧桥臂的开关器件控制输入侧电压V_ab的占空比为D₁，通过输出侧桥臂的开关器件控制输出侧电压V_cd的占空比为D₂。V_ab为输入半桥桥臂与两个串联电容中间点的电压差，V_cd为输出半桥桥臂与两个串联电容中间点的电压差等效到变压器原边的电压，T₃为一个周期所对应的时间，D₁T₃为输入侧处于高电平的时间，D₂T₃为输出侧处于高电平的时间，D₃T₃输入侧与输出侧的移相时间，i_L为流过串联电感的电流。t_i(i＝0，1，2，3)表示各个时刻所对应的时间。

关于上述的双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，包括如下步骤：

步骤1、设置双有源半桥直流变换器的工作状态范围和电路参数；

步骤1.1、根据双有源半桥直流变换器的工作状态，设置双有源半桥直流变换器输入侧电压V1的范围、输出侧电压V2的范围和期望的传输功率P的范围，并根据双有源半桥直流变换器输入侧电压V1的范围、输出侧电压V2的范围和期望的传输功率P的范围设置双有源半桥直流变换器的变压器型号、电感型号、电容型号、开关管型号和开关频率，同时选取变压器原副边匝比k；在本实施例中，设输入侧电压V₁的范围为180V～240V，输出侧电压V₂的范围为40V～60V，传输功率P的范围为0W～625W，高频电源变压器的变比为2：1，串联电感的大小选择为31μH，并联电容的大小选择为10μF，变换器的开关频率为100KHz，所有的开关器件都是用英飞凌公司生产的IPP60R099型号MOSFET。

步骤1.2、设置控制电路参数，采用控制器驱动双有源半桥直流变换器的四只开关管，本实施例中，采用数字处理控制芯片(DSP)驱动四只开关管，并分别设置双有源半桥直流变换器中的第一个桥臂上下两个开关管的第一相位差D1、第二个桥臂上下两个开关管的第二相位差D2和第一个桥臂与第二个桥臂上边开关管的第三相位差D3的约束条件。如图1所示，第一个桥臂为左边的桥臂，第二个桥臂为右边的桥臂，第一个桥臂的两个开关管分别为Q1、Q2，第二个桥臂的两个开关管分别为Q3、Q4。本实施例中，第一相位差D1、第二相位差D2、第三相位差D3的范围均为[-1，1]。

步骤2、根据双有源半桥直流变换器的工作状态分析双有源半桥直流变换器的若干操作模式，从而得到每个操作模式所对应的功率电流模型，以对不同操作模式下的峰值电流和功率进行计算。

本实施例中，步骤2中，根据D1、D2和D3的范围，以及三者的相对大小关系，将双有源半桥直流变换器的工作状态分为9个操作模式，9个操作模式分别为：

用符号表示分别为M₁-M₉，功率电流模型包括功率模型和峰值电流模型，其中，功率模型P为：

峰值电流模型为：

其中V_g1和V_g2分别代表输入输出侧初始电压，k代表变压器原副边匝比，在本实施例中，V_g1取200V，V_g2取50V，k取2。9个模式的电流模型均为上述峰值电流模型，其中i0-i3为各个模式在四个时间节点(t0-t3)的电流，不同给定功率条件下对应的最大电流不同，但必为这四个电流中的其中一个，这四个电流中最大的电流即为峰值电流。四个时间节点分别对应原副边电压的上升沿和下降沿(原副边均为方波，各有一个上升沿和一个下降沿，共四个)，t0-t3依次为原边电压的上升沿对应的时间、原边电压的下降沿对应的时间、副边电压的上升沿对应的时间、副边电压的下降沿对应的时间。

步骤3、根据操作模式所对应的功率电流模型，设计出不同功率要求下的数学模型，通过数学模型，在给定的功率下，能够计算出使得双有源半桥直流变换器的峰值电流达到最小值的各个开关管的相位差的取值，且能够满足所有开关管达到软开关的条件。这里的开关管达到软开关的条件是指开关管开通前电压先降到零。开关开通前其两端电压为零，以MOSFET为例,指的是源极和漏极电压。

本实施例中，数学模型的设计过程具体为：

步骤3.1、设置双有源半桥直流变换器的目标函数：

min i_p(stress)[max(i₀,i₁,i₂,i₃)]；

其中，i_p(stress)是变压器一次侧的电感的峰值电流；

步骤3.2、设置双有源半桥直流变换器的约束条件：

其中，P(D₁，D₂，D₃)为功率约束，P_ref是功率的参考值，Z_j(D₁，D₂，D₃)为满足四个开关管软开关条件的电流约束，Z_j分布代表四个开关管开通瞬间的电流；

步骤3.3、通过步骤3.1、步骤3.2以及峰值电流模型，得到数学模型如下：

本实施例中，对数学模型带入KKT条件中进行求解，得到在给定的功率下，使得双有源半桥直流变换器的峰值电流达到最小值的D₁、D₂和D₃的取值，同时四个开关管均达到能够软开关的条件。

步骤4、将双有源半桥直流变换器的初始的工作状态带入数学模型，以对双有源半桥直流变换器进行控制。

本实施例中，步骤4的具体实现步骤为：

步骤4.1、根据双有源半桥直流变换器的初始状态得到双有源半桥直流变换器的初始条件，初始条件包括输入侧电压V₁的初始值、输出侧电压V₂的初始值和传输功率P的初始值；

步骤4.2、通过初始条件选择最优的操作模式，再通过数学模型，得到第一相位差D₁、第二相位差D₂、第三相位差D₃；具体的，将传输功率P代入步骤3.2中双有源半桥直流变换器的约束条件的Pref，选择不同参考功率下对应的最有模式，接着再通过步骤3.3中的数学模型求解，进一步得到相位差D₁、D₂和D₃的具体大小。

步骤4.3、实时采集双有源半桥直流变换器的输入侧电压V₁的数值、输出侧电压V₂的数值以及传输功率P的数值，将电感电流作为内环控制，输出电压作为外环控制，采用电压电流双闭环的控制方式，通过控制器对得到双有源半桥直流变换器的控制参数D₁、D₂和D₃进行实时监控，使得在不同的传输功率下，控制参数D₁、D₂和D₃可以得到实时的调控，以保证电感的峰值电流达到最小值。

本实施例中，所用到的控制器为DSP控制器。

具体的，步骤4.2中，最优的操作模式为M₅。在不同的给定功率下，最小的电流可能对应于不同的模式，所以最优操作模式不是唯一的，取决于给定功率的大小。在本实施例中最优对应M5。

本发明是这样实现的：

先设置双有源半桥直流变换器的工作状态，然后针对目前的工作状态选择合适的工作模式，通过拉格朗日乘数法(KKT)得到对应约束下对应的数学模型，得到不同功率要求下实现最小峰值电流的控制参数D₁、D₂和D₃，最后，在实际使用中，通过对双有源半桥直流变换器的I，V₂，P(一个电流环一个电压环)进行采样，根据采样值的大小对控制参数D₁、D₂和D₃进行实时变化，实现在不同功率条件下双有源半桥直流变换器的效率优化控制。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、设置双有源半桥直流变换器的工作状态范围和电路参数；

步骤1的具体操作步骤如下：

步骤1.1、根据所述双有源半桥直流变换器的工作状态，设置所述双有源半桥直流变换器输入侧电压V1的范围、输出侧电压V2的范围和期望的传输功率P的范围，并根据所述双有源半桥直流变换器输入侧电压V1的范围、输出侧电压V2的范围和期望的传输功率P的范围设置双有源半桥直流变换器的变压器型号、电感型号、电容型号、开关管型号和开关频率，同时选取变压器原副边匝比；

步骤1.2、设置控制电路参数，采用控制器驱动所述双有源半桥直流变换器的四只开关管，并分别设置所述双有源半桥直流变换器中的第一个桥臂上下两个开关管的第一相位差D1、第二个桥臂上下两个开关管的第二相位差D2和第一个桥臂与第二个桥臂上边开关管的第三相位差D3的约束条件；

步骤2、根据所述双有源半桥直流变换器的工作状态分析所述双有源半桥直流变换器的若干操作模式，从而得到每个操作模式所对应的功率电流模型，以对不同操作模式下的峰值电流和功率进行计算；

根据D1、D2和D3的范围，以及三者的相对大小关系，将双有源半桥直流变换器的工作状态分为9个操作模式，分别为M₁-M₉，所述功率电流模型包括功率模型和峰值电流模型，其中，功率模型P为：

所述峰值电流模型为：

其中V_g1和V_g2分别代表输入输出侧初始电压，k代表变压器原副边匝比；

步骤3、根据所述操作模式所对应的功率电流模型，设计出不同功率要求下的数学模型，通过所述数学模型，在给定的功率下，能够计算出使得所述双有源半桥直流变换器的峰值电流达到最小值的各个开关管的相位差的取值，且能够满足所有开关管达到软开关的条件,即开关开通前电压先降到零；

步骤4、将所述双有源半桥直流变换器的初始的工作状态带入所述数学模型，以对所述双有源半桥直流变换器进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，其特征在于，所述第一相位差D1、第二相位差D2、第三相位差D3的范围均为[-1，1]。

3.根据权利要求1所述的一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，其特征在于，所述9个操作模式分别为：

4.根据权利要求1所述的一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，其特征在于，所述数学模型的设计过程具体为：

步骤3.1、设置所述双有源半桥直流变换器的目标函数：

min i_p(stress)[max(i₀,i₁,i₂,i₃)]；

其中，i_p(stress)是变压器一次侧的电感的峰值电流；

步骤3.2、设置所述双有源半桥直流变换器的约束条件：

其中，P(D₁，D₂，D₃)为功率约束，P_ref是功率的参考值，Z_j(D₁，D₂，D₃)为满足四个开关管软开关条件的电流约束，Z_j分布代表四个开关管开通瞬间的电流；

步骤3.3、通过所述步骤3.1、步骤3.2以及所述峰值电流模型，得到数学模型如下：

5.根据权利要求4所述的一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，其特征在于，对所述数学模型带入KKT条件中进行求解，得到在给定的功率下，使得双有源半桥直流变换器的峰值电流达到最小值的D₁、D₂和D₃的取值，同时四个所述开关管均达到能够软开关的条件。

6.根据权利要求5所述的一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，其特征在于，步骤4的具体实现步骤为：

步骤4.1、根据所述双有源半桥直流变换器的初始状态得到所述双有源半桥直流变换器的初始条件，所述初始条件包括输入侧电压V₁的初始值、输出侧电压V₂的初始值和传输功率P的初始值；

步骤4.2、通过所述初始条件选择最优的操作模式，再通过所述数学模型，得到第一相位差D1、第二相位差D2、第三相位差D3；

步骤4.3、实时采集所述双有源半桥直流变换器的输入侧电压V₁的数值、输出侧电压V₂的数值以及传输功率P的数值，将电感电流作为内环控制，输出电压作为外环控制，采用电压电流双闭环的控制方式，通过控制器对得到双有源半桥直流变换器的控制参数D₁、D₂和D₃进行实时监控，使得在不同的传输功率下，控制参数D₁、D₂和D₃可以得到实时的调控，以保证电感的峰值电流达到最小值。

7.根据权利要求6所述的一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，其特征在于，所述控制器为DSP控制器。

8.根据权利要求6所述的一种双有源半桥直流变换器的效率优化控制方法，其特征在于，步骤4.2中，所述最优的操作模式为在同一给定功率条件下，峰值电流最小的模式。

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