CN114172382A - 输出并联型双有源桥式变流器及热分布优化方法 - Google Patents

输出并联型双有源桥式变流器及热分布优化方法 Download PDF

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CN114172382A CN202210130366.5A CN202210130366A CN114172382A CN 114172382 A CN114172382 A CN 114172382A CN 202210130366 A CN202210130366 A CN 202210130366A CN 114172382 A CN114172382 A CN 114172382A
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Abstract

本申请公开了一种输出并联型双有源桥式变流器及热分布优化方法，变流器包括至少两个并联的DAB单元，DAB单元包括两个H桥电路。针对调制策略不对称引起的H桥内部热分布不均问题，提出一种基于两开关周期的对称调制策略。H桥电路在第一开关周期中在第一工作状态和第二工作状态的末尾使用第一续流状态过渡到下一工作状态；H桥在第二开关周期中在第一工作状态和第二工作状态的末尾使用第二续流状态过渡到下一工作状态；第一开关周期和第二开关周期交替循环使用。本申请还针对辅助电感的电感值不同造成的DAB单元间热分布不均问题，建立单元传输功率到变流器可靠度函数模型，获得最优单元传输功率，以优化DAB单元间的热分布问题。

Description

输出并联型双有源桥式变流器及热分布优化方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及输出并联型双有源桥式变流器及热分布优化方法。
背景技术
近年由于电动汽车充电、光伏储能等行业的兴起，DC/DC变换器越来越受到人们的重视。特别是双有源桥式DC/DC变换器，可以通过变压器实现原副边电气隔离，是DC/DC变换器中的研究热点。
在现有技术中，单个DAB（Dual Active Bridge，双有源桥式）难以满足高压大电流需求。因此，在实际使用中，通常将多个DAB在输出侧并联以满足大电流负载需求。
一个DAB单元由两个H桥、一个辅助电感和一个高频变压器构成。由于制造工艺的限制，每个单元的变压器漏感差异巨大。电感的差异使得每个单元在传输相同功率时拥有不一样的温度。除此之外，在传统的对称PWM调制方法中，忽略了正向电流和反向电流会流过同一模块中的不同芯片，因此不是真正意义上的对称。这种对称方法也造成了一个H桥内的四个开关管在工作时拥有不一致的温度。
H桥内的开关管由于温度影响其参数会发生退化，不一致的温度特性会导致退化速度的不同，造成同一变流器中参数不匹配情况的发生，进而影响变流器的输出特性。
因此，有必要提出一种技术方案解决变流器中各个DAB单元温度不同以及单个DAB单元中各个开关管的温度不同导致影响变流器的输出特性的问题。
发明内容
本申请目的是提供一种输出并联型双有源桥式变流器及热分布优化方法，解决现有技术中变流器的各个DAB单元温度不同以及单个DAB单元中各个开关管的温度不同导致各个DAB单元的退化速度不同，进而影响变流器的输出特性的问题。
本申请提供一种输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，所述输出并联型双有源桥式变流器包括两个并联的DAB单元，所述DAB单元包括两个H桥电路，所述H桥电路包括第一桥臂和第二桥臂，
其中，当第一桥臂上开关管与第二桥臂上开关管同时处于导通状态时，所述H桥电路处于第一续流状态，当第一桥臂下开关管与第二桥臂下开关管同时处于导通状态时，所述H桥电路处于第二续流状态，当第一桥臂上开关管与第二桥臂下开关管同时处于导通状态时，所述H桥电路处于第一工作状态，当第一桥臂下开关管与第二桥臂上开关管同时处于导通状态时，所述H桥电路处于第二工作状态；
所述H桥电路在第一开关周期中经历一次所述第一工作状态和一次所述第二工作状态，并分别在第一工作状态和第二工作状态的末尾使用所述第一续流状态过渡到下一工作状态；
所述H桥电路在第二开关周期中经历一次所述第一工作状态和一次所述第二工作状态，并分别在第一工作状态和第二工作状态的末尾使用所述第二续流状态过渡到下一工作状态；
所述第一开关周期和第二开关周期交替循环使用。
进一步的，所述DAB单元中，第一H桥电路和第二H桥电路均采用移相调制方式；
对于任一开关周期，以第一H桥电路从第二工作状态切换到第一续流状态或者第二续流状态的时刻为该开关周期起始时刻t0；定义第一H桥电路从第一续流状态或第二续流状态切换到第一工作状态的时刻为t1，第二H桥电路从第二工作状态切换到第一续流状态或第二续流状态的时刻为t2，第二H桥电路从第一续流状态或第二续流状态切换到第一工作状态的时刻为t3；
则对于第一H桥电路，存在第一内移相角Dj1=t1-t0；对于第二H桥电路，存在第二内移相角Dj2=t3-t2；对于第一H桥电路和第二H桥电路，存在外移相角Dj0=t2-t0。
进一步的，所述方法还包括：
S101、通过公式（1）定义以T为开关周期的周期函数，公式（1）的表达式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
（1）
S102、通过公式（2）确定第一桥臂上开关管的导通与关断状态，公式（2）的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
，
T表示一个开关周期，Th表示半个开关周期，对于所述第一H桥电路，D=Dj1/Th，对于所述第二H桥电路， D=(Dj2+Dj0)/Th，当公式（2）的值为1时，控制所述第一桥臂上开关管导通，当所述公式（2）的值为0时，控制所述第一桥臂上开关管关断。
进一步的，所述方法还包括：
S103、通过公式（3）确定所述第二桥臂下开关管的导通与关断状态，公式（3）的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，T表示一个开关周期，Th 表示半个开关周期，对于所述第一H桥电路，D=Dj1/Th，对于所述第二H桥电路，D=(Dj2+Dj0)/ Th，当所述公式（3）的值为1时，控制所述第二桥臂下开关管导通，当所述公式（3）的值为0 时，控制所述第二桥臂下开关管关断。
进一步的，所述第一桥臂上开关管与所述第一桥臂下开关管互补导通，所述第二桥臂上开关管与所述第二桥臂下开关管互补导通。
进一步的，所述H桥电路中同一桥臂中的两个开关管之间设有死区。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
根据各个所述DAB单元中的开关管的封装寿命对所述变流器中的各个所述DAB单元进行功率分配。
进一步的，所述功率分配包括以下步骤：
S201、根据开关管的故障率获得所述DAB单元的可靠度函数，所述可靠度函数的表达式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，R jm 表示根据第j个DAB单元中第m个开关管的故障率得到的所述开关管的可靠性函数；
S202、根据所述可靠度函数R j 获得相应的概率密度函数f j （t），所述概率密度函数f j （t）的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，f jm 表示与所述可靠性函数R jm 相应的概率密度函数；
S203、根据所述可靠度函数和所述概率密度函数获得所述DAB单元故障时间的概率分布函数，所述DAB单元故障时间的概率分布函数表达式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
；
其中，t α 是第α个故障DAB单元的故障时间，A α 是集合{1, 2, ∙∙∙, n}的α阶排列，n表示DAB单元的数量，s α 为第α个故障DAB单元的编号为；
S204、根据所述DAB单元故障时间的概率分布函数获得所述DAB单元的可靠性表达式，所述DAB单元的可靠性表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，n表示DAB单元的数量，k表示所述变流器工作所需的最小DAB单元数量；
S205、根据所述DAB单元的可靠性表达式获得各个DAB单元的功率分配系数，并根据所述功率分配系数对所述变流器中的各个所述DAB单元进行功率分配，所述功率分配系数的表达式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
。
进一步的，所述开关管的故障率的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
表示制造因素，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示使用过程中的人为因素，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示 过载能力，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示特定热应力下的故障率，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示特定热循环下的故障率，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示 热应力因素，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示热循环因素，以上参数为开关管本身的设计参数，从开关管的设计文 档中查阅。
本申请还提供一种输出并联型双有源桥式变流器，
所述输出并联型双有源桥式变流器包括至少两个并联的DAB单元，所述DAB单元包括变压器、辅助电感和两个H桥电路，所述H桥电路包括第一桥臂和第二桥臂；
其中，第一H桥电路的第一桥臂交流侧通过所述辅助电感接入所述变压器的原边侧正极性端，第一H桥电路的第二桥臂交流侧接入所述变压器的原边侧负极性端，第二H桥电路的第一桥臂交流侧接入所述变压器的副边侧正极性端，第二H桥电路的第二桥臂交流侧接入所述变压器的副边侧负极性端；
控制器，所述控制器执行如上所述的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法。
与现有技术相比，本申请在第一开关周期经历一次第一工作状态和一次第二工作状态，并分别在两个工作状态的末尾使用第一续流状态过渡到下一工作状态， 在第二开关周期经历一次第一工作状态和一次第二工作状态，并分别在两个工作状态的末尾使用第二续流状态过渡到下一工作状态，第一开关周期和第二开关周期交替循环使用，从而在两个开关周期内实现H桥内流经各个开关管的电流一致，使得H桥内的四个开关管在工作时拥有一致的温度，避免H桥内的开关管由于温度不一致导致退化速度不同，造成同一变流器中参数不匹配情况的发生，进而影响变流器的输出特性的问题。
附图说明
图1为本申请提供的DAB单元示意图；
图2为本申请提供的H桥电路的工作状态示意图；
图3为本申请提供的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法流程图；
图4为本申请提供的DAB单元的第一H桥电路在第一开关周期时的工作状态切换示意图；
图5为本申请提供的DAB单元的第一H桥电路在第二开关周期时的工作状态切换示意图；
图6为本申请提供的DAB单元中第一H桥电路的驱动控制及输出电流示意图；
图7为本申请提供的对变流器中各个DAB单元进行功率分配的方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示，为本申请提供的DAB单元示意图。DAB单元包括变压器、辅助电感和两个H桥电路，所述H桥电路包括第一桥臂和第二桥臂。其中，第一H桥电路的第一桥臂交流侧通过所述辅助电感接入所述变压器的原边侧正极性端，第一H桥电路的第二桥臂交流侧接入所述变压器的原边侧负极性端，第二H桥电路的第一桥臂交流侧接入所述变压器的副边侧正极性端，第二H桥电路的第二桥臂交流侧接入所述变压器的副边侧负极性端。
如图1所示，对于第一H桥电路，第一桥臂包括第一开关管Sj1和第二开关管Sj2，第一开关管Sj1和第二开关管Sj2的连接点作为第一桥臂的中点，第一桥臂的中点作为第一H桥电路交流侧的第一端。第一开关管Sj1作为第一桥臂的上开关管，第二开关管Sj2作为第一桥臂的下开关管。第二桥臂包括串联的第三开关管Sj3和第四开关管Sj4，第三开关管Sj3和第四开关管Sj4的连接点作为第二桥臂的中点，第二桥臂的中点作为第一H桥电路交流侧的第二端。第三开关管Sj3作为第二桥臂的上开关管，第第四开关管Sj4作为第二桥臂的下开关管，第二桥臂的中点和第一桥臂的中点之间提供第一H桥电路交流侧电压Vj1。
第一开关管Sj1至第四开关管Sj4可以为MOS管或IGBT。作为一种可选的实现方式，本申请提供的DAB单元使用IGBT作为开关管。第一开关管Sj1至第四开关管Sj4均设置或存在有与自身反向并联的二极管。
如图1所示，对于第二H桥电路，第二H桥电路的第一桥臂包括第五开关管Sj5和第六开关管Sj6，第二H桥电路的第二桥臂包括串联的第七开关管Sj7和第八开关管Sj8；第五开关管Sj5和第六开关管Sj6的连接点作为第二H桥电路的第一桥臂的中点，第七开关管Sj7和第八开关管Sj8的连接点作为第二H桥电路的第二桥臂的中点，第二H桥电路的第一桥臂的中点作为第二H桥电路交流侧的第一端，第二桥臂的中点作为第二H桥电路交流侧的第二端。第五开关管Sj5作为第二H桥电路的第一桥臂的上开关管，第六开关管Sj6作为第二H桥电路的第一桥臂的下开关管，第七开关管Sj7作为第二H桥电路的第二桥臂的上开关管，第八开关管Sj8作为第二H桥电路的第二桥臂的下开关管，第二H桥电路的第一桥臂的中点和第二H桥电路的第二桥臂的中点之间提供第二H桥电路交流侧电压Vj2。
第五开关管Sj5至第八开关管Sj8为MOS管或IGBT。作为一种可选的实现方式，本申请提供的H桥电路使用IGBT作为开关管。第五开关管Sj5至第八开关管Sj8均设置或存在有与自身反向并联的二极管。
作为一种可选的实现方式，第一H桥电路和第二H桥电路均采用移相调制方式。对于任一开关周期，以第一H桥电路从第二工作状态切换到第一续流状态或者第二续流状态的时刻为该开关周期起始时刻t0；定义第一H桥电路从第一续流状态或第二续流状态切换到第一工作状态的时刻为t1，第二H桥电路从第二工作状态切换到第一续流状态或第二续流状态的时刻为t2，第二H桥电路从第一续流状态或第二续流状态切换到第一工作状态的时刻为t3；
则对于第一H桥电路，存在第一内移相角Dj1=t1-t0；对于第二H桥电路，存在第二内移相角Dj2=t3-t2；对于第一H桥电路和第二H桥电路，存在外移相角Dj0=t2-t0。
对于DAB单元，作为一种可选的实现方式，H桥电路的第一桥臂上开关管与第一桥臂下开关管互补导通，第二桥臂上开关管与第二桥臂下开关管互补导通。为了保证同一桥臂的开关管之间无直通风险，在互补导通的开关管之间设置死区。
具体的，以第一H桥电路为例，第一桥臂中的第一开关管Sj1和第二开关管Sj2互补导通，第二桥臂中的第三开关管Sj3和第四开关管Sj4互补导通。在互补导通的开关管之间设置死区。
如图2所示，为本申请提供的H桥电路的工作状态示意图。如图2所示，H桥电路具有四种工作状态。其中，当第一桥臂上开关管与第二桥臂上开关管同时处于导通状态时， H桥电路处于第一续流状态。当第一桥臂下开关管与第二桥臂下开关管同时处于导通状态时，H桥电路处于第二续流状态。当第一桥臂上开关管与第二桥臂下开关管同时处于导通状态时， H桥电路处于第一工作状态。当第一桥臂下开关管与第二桥臂上开关管同时处于导通状态时， H桥电路处于第二工作状态。
其中，以第一H桥电路为例，如图2中(c)所示，当所述第一桥臂上开关管Sj1与第二桥臂上开关管Sj3同时处于导通状态时，第一H桥电路处于第一续流状态。如图2中(d)所示，当第一桥臂下开关管Sj2与第二桥臂下开关管Sj4同时处于导通状态时，第一H桥电路处于第二续流状态。如图2中(a)所示，当第一桥臂上开关管Sj1与第二桥臂下开关管Sj4同时处于导通状态时，第一H桥电路处于第一工作状态。如图2中(b)所示，当第一桥臂下开关管Sj2与第二桥臂上开关管Sj3同时处于导通状态时，第一H桥电路处于第二工作状态。
在第一续流状态下，电流通过第一H桥电路的第一桥臂上开关管Sj1与第一H桥电路的第二桥臂上开关管Sj3，此时第一H桥电路的交流侧电压为0。在第二续流状态下，电流通过第一H桥电路的第一桥臂下开关管Sj2和第一H桥电路的第二桥臂下开关管Sj4，此时第一H桥电路的交流侧电压为0。因此，在实现电路功能时，第一续流状态和第二续流状态是等价的。根据这个原理，本申请提供一种输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法。
如图3所示，针对调制策略不对称引起的H桥内部热分布不均问题，本申请提供的热分布优化方法提出了一种基于两开关周期的对称调制策略： H桥电路在第一开关周期中经历一次所述第一工作状态和一次所述第二工作状态，并分别在第一工作状态和第二工作状态的末尾使用所述第一续流状态过渡到下一工作状态。H桥电路在第二开关周期中经历一次所述第一工作状态和一次所述第二工作状态，并分别在第一工作状态和第二工作状态的末尾使用所述第二续流状态过渡到下一工作状态。所述第一开关周期和第二开关周期交替循环使用。第一H桥电路和第二H桥电路均按照以上方式进行控制。
具体的，以第一H桥电路为例，如图4所示，为本申请提供的DAB单元的第一H桥电路在第一开关周期时的工作状态切换示意图。在第一开关周期，第一H桥电路依照第一工作状态、第一续流状态、第二工作状态、第一续流状态的顺序切换工作状态。
如图5所示，为本申请提供的DAB单元的第一H桥电路在第二开关周期时的工作状态切换示意图。在第二开关周期，第一H桥电路依照第一工作状态、第二续流状态、第二工作状态、第二续流状态的顺序切换工作状态。
作为一种可选的实现方式，本申请预设一个开关周期的时间为T，Th为半个开关周期。
S101、通过公式（1）定义以T为开关周期的周期函数，公式（1）的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
（1）
S102、通过公式（2）确定第一桥臂上开关管的导通与关断状态，公式（2）的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
（2）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
S103、通过公式（3）确定所述第二桥臂下开关管的导通与关断状态，公式（3）的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
（3）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
T表示一个开关周期，Th表示半个开关周期。对于所述第一H桥电路，D=Dj1/Th，对于所述第二H桥电路， D=(Dj2+Dj0)/Th。当公式（2）的值为1时，控制第一桥臂上开关管导通，当所述公式（2）的值为0时，控制第一桥臂上开关管关断。当所述公式（3）的值为1时，控制第二桥臂下开关管导通，当所述公式（3）的值为0时，控制第二桥臂下开关管关断。
本申请提供的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法通过设置两个开关周期为一个调制循环，使得流经开关管的电流在一个调制循环中实现一致。
如图6所示，为本申请提供的DAB单元中第一H桥电路的驱动控制及输出电流示意图。当第一H桥电路交流侧电压Vj1为正时，表示第一H桥电路处于第一工作状态。当第一H桥电路交流侧电压Vj1为零时，表示第一H桥电路处于第一续流状态或第二续流状态。当第一H桥电路交流侧电压Vj1为负时，表示第一H桥电路处于第二工作状态。
在第一H桥电路中， 采用移相控制，电流滞后于电压某一预设桥内移相角，第一H桥电路具体可分为六个不同的工作时间段：
第一时段[t2-t5]：通过驱动信号控制第一开关管和第四开关管导通，第一H桥电路处于第一工作状态。此时，第一H桥电路有功输出，输出电压为正，输出电流为正。电流流经第一开关管和第四开关管。
第二时段[t5-t6]：通过驱动信号控制第一开关管和第三开关管导通，第一H桥电路处于第一续流状态，输出电压为零但电流为正。此时，电流流经第三开关管的反向并联二极管以及第一开关管。
或者，通过驱动信号控制第二开关管和第四开关管导通，第一H桥电路处于第二续流状态，输出电压为零但电流为正，此时，电流流经第二开关管的反向并联二极管以及第四开关管。
第三时段[t6-t7]：通过驱动信号控制第二开关管和第三开关管导通，第一H桥电路处于第二工作状态，第一H桥电路输出电压为负，但由于电流不会跳变，因此电流仍为正，第一H桥电路处于回馈阶段，此时，电流流经第二开关管的反向并联二极管和第三开关管的反向并联二极管，直至电流过零点。
第四时段[t7-t10]：第一H桥电路仍处于第二工作状态，输出电流过零点，此时第一H桥电路有功输出，输出电压为负，输出电流为负。电流流经第二开关管和第三开关管导通。
第五时段[t0-t1]：通过驱动信号控制第一开关管和第三开关管导通，第一H桥电路处于第一续流状态，输出电压为零但电流为负。此时，电流流经第一开关管的反向并联二极管以及第三开关管。
或者，通过驱动信号控制第二开关管和第四开关管导通，第一H桥电路处于第二续流状态，输出电压为零但电流为负，此时，电流流经第四开关管的反向并联二极管以及第二开关管。
第六时段[t1-t2]：通过驱动信号控制第一开关管和第四开关管导通，第一H桥电路处于第一工作状态，第一H桥电路输出电压为正，但由于电流不会跳变，因此电流仍为负，第一H桥电路处于回馈阶段，此时，电流流经第一开关管的反向并联二极管和第四开关管的反向并联二极管，直至电流过零点。
现有技术中，第一H桥电路依照第一工作状态、第一续流状态或第二续流状态、第二工作状态、第一续流状态或第二续流状态的顺序循环执行。按照现有技术的控制方式，无法实现第一H桥电路中流经各个开关管的电流一致。具体的，根据上述第一H桥电路六个不同工作时间段的说明可知，若依照现有技术提供的循环，第一开关管导通时间在t2-t5，第二开关管导通时间在t7-t10，第三开关管导通时间在t7-t1，第四开关管导通时间在t2-t6。由此可知，按照现有技术提供的循环，虽然第一开关管和第二开关管的电流一致，第三开关管和第四开关管的电流一致，但是无法实现第一开关管与第三开关管之间的电流一致。
与现有技术提供的控制循环不同，本申请提供的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法依照第一开关周期和第二开关周期交替循环的方式对第一H桥电路和第二H桥电路进行控制。
根据上述第一H桥电路六个不同工作时间段的说明，可知，当第一H桥电路依照第一开关周期和第二开关周期交替循环的方式进行工作时，在第一开关周期，第一开关管的导通时间在t2-t6，第二开关管的导通时间在t7-t10，第三开关管的导通时间在t7-t10以及t0-t1，第四开关管的导通时间在t2-t5。
在第二开关周期，第一开关管的导通时间在t2-t5，第二开关管的导通时间在t7-t10以及t0-t1，第三开关管的导通时间在t7-t10，第四开关管的导通时间在t2-t6。
由此可知，在两个开关周期内，流经第一开关管的电流量为t2-t6和t2-t5时段的电流量，而流经第四开关管的电流量为t2-t5和t2-t6时段的电流量。因此，在两个开关周期内，流经第一开关管的电流量与流经第四开关管的电流量一致。同理，在两个开关周期内，流经第二开关管的电流量与流经第三开关管的电流量也一致。且第一H桥电路上半旁路与下半旁路对称，因此，流经第一开关管的电流量与流经第二开关管的电流量一致。
根据本申请提供的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，可以在两个开关周期内实现流经各个开关管的电流一致。基于以上相同的理由，可知在两个开关周期内，流经各个开关管的反向并联二极管的电流也相同。
基于以上相同的理由，第二H桥电路也可以在两个开关周期内实现流经各个开关管的电流一致。
本申请提供的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法在两个开关周期内实现流经各个开关管的电流一致。导通电流一致可以保证各个开关管的损耗一致，在相同的散热条件下，可以保证各个开关管的温升一致，使得变流器工作时的热分布得到优化，从而避免了开关管由于温度不一致导致退化速度不同，造成同一变流器中参数不匹配情况的发生，进而避免了影响变流器的输出特性。
在变流器中，由于制造工艺的限制，每个DAB单元的变压器漏感差异巨大。电感的差异使得每个DAB单元在传输相同功率时拥有不一样的温度。温度是影响开关管参数的一项重要因素，不一致的温度会导致开关管的退化速度不同，从而造成同一变流器中各个DAB单元参数不匹配，影响变流器的输出特性。
因此，本申请提供的热分布优化方法还针对辅助电感的电感值不同造成的DAB单元间热分布不均问题，提出了优化DAB单元间的热分布的方案。
具体的，本申请根据各个DAB单元中的开关管的封装寿命对变流器中的各个DAB单元进行功率分配。
开关管的故障率可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
表示制造因素，
Figure 553219DEST_PATH_IMAGE032
表示使用过程中的人为因素，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
表示 过载能力，
Figure 283409DEST_PATH_IMAGE034
表示特定热应力下的故障率，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
表示特定热循环下的故障率，
Figure 125463DEST_PATH_IMAGE036
表示 热应力因素，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
表示热循环因素，以上参数为开关管本身的设计参数，可以从开关管的设 计文档中查阅。
Figure 68142DEST_PATH_IMAGE036
表示热应力因素和
Figure 413673DEST_PATH_IMAGE037
表示热循环因素还可以通过开关管的功率循环测试 获得。
例如，
Figure 564031DEST_PATH_IMAGE036
的表达式可以为：
Figure 110026DEST_PATH_IMAGE038
Figure 840085DEST_PATH_IMAGE037
的表达式可以为：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 571280DEST_PATH_IMAGE040
表示平均温度，通过对DAB单元进行温度采样并计算平均值获得，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
表 示温度波动，可以通过雨流计数法获得，也可以通过将采样获得的最大温度值与最小温度 值相减获得。
假设开关管的寿命服从指数分布，则根据变流器中开关管的故障率可以得到该开关管的可靠性函数。变流器中第j个DAB单元中的第m个开关管的可靠性函数可以用R jm 表示。对所述可靠性函数R jm 进行求导，可以得到与所述可靠性函数R jm 相应的概率密度函数f jm 。
如图7所示，本申请提供的对变流器中各个DAB单元进行功率分配的方法包括以下步骤：
S201、根据开关管的故障率获得所述DAB单元的可靠度函数，所述可靠度函数的表达式为：
Figure 377693DEST_PATH_IMAGE042
；
S202、根据所述可靠度函数R j 获得相应的概率密度函数f j （t），所述概率密度函数f j （t）的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；
S203、根据所述可靠度函数和所述概率密度函数获得所述DAB单元故障时间的概率分布函数，所述DAB单元故障时间的概率分布函数表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
；
其中，t α 是第α个故障DAB单元的故障时间，A α 是集合{1, 2, ∙∙∙, n}的α阶排列，s α 为第α个故障DAB单元的编号为。
S204、根据所述DAB单元故障时间的概率分布函数获得所述DAB单元的可靠性表达式，所述DAB单元的可靠性表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
；
其中，n表示DAB单元的数量，k表示所述变流器工作所需的最小DAB单元数量。
S205、根据所述DAB单元的可靠性表达式获得各个DAB单元的功率分配系数，并根据所述功率分配系数对所述变流器中的各个所述DAB单元进行功率分配，所述功率分配系数的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
。
本申请还提供一种输出并联型双有源桥式变流器，所述变流器包括至少两个并联的DAB单元以及控制器。
DAB单元包括变压器、辅助电感和两个H桥电路，所述H桥电路包括第一桥臂和第二桥臂。
其中，第一H桥电路的第一桥臂交流侧通过所述辅助电感接入所述变压器的原边侧正极性端，第一H桥电路的第二桥臂交流侧接入所述变压器的原边侧负极性端，第二H桥电路的第一桥臂交流侧接入所述变压器的副边侧正极性端，第二H桥电路的第二桥臂交流侧接入所述变压器的副边侧负极性端。控制器根据本申请提供的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法对变流器中的各个DAB单元进行控制。
综上所述，本申请在第一开关周期经历一次第一工作状态和一次第二工作状态，并分别在两个工作状态的末尾使用第一续流状态过渡到下一工作状态， 在第二开关周期经历一次第一工作状态和一次第二工作状态，并分别在两个工作状态的末尾使用第二续流状态过渡到下一工作状态，第一开关周期和第二开关周期交替循环使用，从而在两个开关周期内实现H桥内流经各个开关管的电流一致，使得H桥内的四个开关管在工作时拥有一致的温度，避免H桥内的开关管由于温度不一致导致退化速度不同，造成同一变流器中参数不匹配情况的发生，进而影响变流器的输出特性的问题。
本申请提供的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法还基于各个DAB单元中的开关管的封装寿命对变流器中的各个DAB单元进行功率分配，使得各个DAB单元间的热分布更为平衡，延长变流器的使用寿命。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，然其并非用以限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，所述输出并联型双有源桥式变流器包括至少两个并联的DAB单元，所述DAB单元包括两个H桥电路，所述H桥电路包括第一桥臂和第二桥臂，其特征在于：
其中，当第一桥臂上开关管与第二桥臂上开关管同时处于导通状态时，所述H桥电路处于第一续流状态，当第一桥臂下开关管与第二桥臂下开关管同时处于导通状态时，所述H桥电路处于第二续流状态，当第一桥臂上开关管与第二桥臂下开关管同时处于导通状态时，所述H桥电路处于第一工作状态，当第一桥臂下开关管与第二桥臂上开关管同时处于导通状态时，所述H桥电路处于第二工作状态；
所述H桥电路在第一开关周期中经历一次所述第一工作状态和一次所述第二工作状态，并分别在第一工作状态和第二工作状态的末尾使用所述第一续流状态过渡到下一工作状态；
所述H桥电路在第二开关周期中经历一次所述第一工作状态和一次所述第二工作状态，并分别在第一工作状态和第二工作状态的末尾使用所述第二续流状态过渡到下一工作状态；
所述第一开关周期和第二开关周期交替循环使用。
2.根据权利要求1所述的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，其特征在于：
所述DAB单元中，第一H桥电路和第二H桥电路均采用移相调制方式；对于任一开关周期，以第一H桥电路从第二工作状态切换到第一续流状态或者第二续流状态的时刻为该开关周期起始时刻t0；定义第一H桥电路从第一续流状态或第二续流状态切换到第一工作状态的时刻为t1，第二H桥电路从第二工作状态切换到第一续流状态或第二续流状态的时刻为t2，第二H桥电路从第一续流状态或第二续流状态切换到第一工作状态的时刻为t3；
则对于第一H桥电路，存在第一内移相角Dj1=t1-t0；对于第二H桥电路，存在第二内移相角Dj2=t3-t2；对于第一H桥电路和第二H桥电路，存在外移相角Dj0=t2-t0。
3.根据权利要求2所述的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，其特征在于，所述方法还包括：
S101、通过公式（1）定义以T为开关周期的周期函数，公式（1）的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
S102、通过公式（2）确定第一桥臂上开关管的导通与关断状态，公式（2）的表达式为：
Figure 215895DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 377886DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
T表示一个开关周期，Th表示半个开关周期，对于所述第一H桥电路， D=Dj1/Th，对于所述第二H桥电路， D=(Dj2+Dj0)/Th，当公式（2）的值为1时，控制所述第一桥臂上开关管导通，当所述公式（2）的值为0时，控制所述第一桥臂上开关管关断。
4.根据权利要求3所述的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，其特征在于，所述方法还包括：
S103、通过公式（3）确定所述第二桥臂下开关管的导通与关断状态，公式（3）的表达式为：
Figure 564017DEST_PATH_IMAGE006
（3）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 35318DEST_PATH_IMAGE008
，T 表示一个开关周期，Th表示半个开关周期，对于所述第一H桥电路， D=Dj1/Th，对于所述第二 H桥电路， D=(Dj2+Dj0)/Th，当所述公式（3）的值为1时，控制所述第二桥臂下开关管导通，当 所述公式（3）的值为0时，控制所述第二桥臂下开关管关断。
5.根据权利要求4所述的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，其特征在于：
所述第一桥臂上开关管与所述第一桥臂下开关管互补导通，所述第二桥臂上开关管与所述第二桥臂下开关管互补导通。
6.根据权利要求5所述的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，其特征在于：所述H桥电路中同一桥臂中的两个开关管之间设有死区。
7.根据权利要求1所述的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
根据各个所述DAB单元中的开关管的封装寿命对所述变流器中的各个所述DAB单元进行功率分配。
8.根据权利要求7所述的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，其特征在于，所述功率分配包括以下步骤：
S201、根据开关管的故障率获得所述DAB单元的可靠度函数，所述可靠度函数的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，R jm 表示根据第j个DAB单元中第m个开关管的故障率得到的所述开关管的可靠性函数；
S202、根据所述可靠度函数R j 获得相应的概率密度函数f j （t），所述概率密度函数f j （t）的表达式为：
Figure 572479DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，f jm 表示与所述可靠性函数R jm 相应的概率密度函数；
S203、根据所述可靠度函数和所述概率密度函数获得所述DAB单元故障时间的概率分布函数，所述DAB单元故障时间的概率分布函数表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；
其中，t α 是第α个故障DAB单元的故障时间，A α 是集合{1, 2, ∙∙∙, n}的α阶排列，n表示DAB单元的数量，s α 为第α个故障DAB单元的编号为；
S204、根据所述DAB单元故障时间的概率分布函数获得所述DAB单元的可靠性表达式，所述DAB单元的可靠性表达式为：
Figure 728041DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，n表示DAB单元的数量，k表示所述变流器工作所需的最小DAB单元数量；
S205、根据所述DAB单元的可靠性表达式获得各个DAB单元的功率分配系数，并根据所述功率分配系数对所述变流器中的各个所述DAB单元进行功率分配，所述功率分配系数的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
9.根据权利要求8所述的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法，其特征在于，所述开关管的故障率的表达式为：
Figure 847307DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示制造因素，
Figure 161613DEST_PATH_IMAGE016
表示使用过程中的人为因素，
Figure 248387DEST_PATH_IMAGE017
表示过 载能力，
Figure 814497DEST_PATH_IMAGE018
表示特定热应力下的故障率，
Figure 53849DEST_PATH_IMAGE019
表示特定热循环下的故障率，
Figure 601374DEST_PATH_IMAGE020
表示 热应力因素，
Figure 926176DEST_PATH_IMAGE021
表示热循环因素，以上参数为开关管本身的设计参数，从开关管的设计 文档中查阅。
10.一种输出并联型双有源桥式变流器，其特征在于：
所述输出并联型双有源桥式变流器包括至少两个并联的DAB单元，所述DAB单元包括变压器、辅助电感和两个H桥电路，所述H桥电路包括第一桥臂和第二桥臂；
其中，第一H桥电路的第一桥臂交流侧通过所述辅助电感接入所述变压器的原边侧正极性端，第一H桥电路的第二桥臂交流侧接入所述变压器的原边侧负极性端，第二H桥电路的第一桥臂交流侧接入所述变压器的副边侧正极性端，第二H桥电路的第二桥臂交流侧接入所述变压器的副边侧负极性端；
控制器，所述控制器执行权利要求1-9任一项所述的输出并联型双有源桥式变流器的热分布优化方法。
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