CN116683771B - 一种基于双陷波器的隔离型三端口变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双陷波器的隔离型三端口变换器，其包括三个半桥整流网络P1、P2、P3；半桥整流网络P1连接三绕组变压器P4的原边绕组；半桥整流网络P2连接三绕组变压器P4的一个副边绕组；半桥整流网络P3连接三绕组变压器P4的另一个副边绕组；其控制方法包括以下步骤：通过半桥变换得到三个方波端口电压；通过控制开关频率改变三个半桥整流网络的阻抗，通过改变两个输出端口的电压值来控制其功率比值；通过控制移相角和开关频率来切换隔离型三端口变换器的工作模式。本发明具有可实现软开关、功率可多向流动等优势；利用陷波器特性，变频控制端口的通断、阻抗大小，实现解耦；可实现对不同的电池同时进行充电，提高充电效率。

Description

一种基于双陷波器的隔离型三端口变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电子电力技术领域，具体涉及一种基于双陷波器的隔离型三端口变换器及其控制方法。
背景技术
随着世界性能源和环境问题日益严峻，可再生能源的利用受到越来越广泛地关注。但太阳能、风能等可再生能源的输出具有间歇性、时变性和不稳定性等特点。为了提高系统的稳定性以及新能源的利用率，可再生能源系统中需配备储能单元，对电能进行存储和调节，保证系统的供电稳定性。在传统的新能源发电系统中，新能源发电单元、储能单元和负载单元分别通过独立的变换器进行连接，变换器数量多、系统结构复杂。通过采用三端口变换器替代独立变换器可以提升系统的效率和可靠性，降低系统成本，已经成为近年来新的研究和应用热点。但随着电动汽车技术的发展和开关电源技术的进步，对电动汽车提出了更多的要求：可靠性、高效性、小型化、轻量化。为了适应这样的需求，针对电动汽车内的功率变换器拓扑结构上的集成而形成的三端口变换器被广泛研究。这种集成方案能有效的减小电动汽车车载变换器的体积和质量，提高整车功率密度，有效节约成本。
三端口变换器按照其隔离方式可分为非隔离型、半隔离型和隔离型三种。非隔离拓扑具有结构简单、效率较高、易于扩展等优点，但其电压增益一般较低。半隔离型结构由于引入了一个隔离变压器，明显地扩大了电压增益范围。然而，非隔离型和半隔离型拓扑均无法适用于三端口间完全隔离的应用背景。因而，仍需对隔离型三端口变换器展开深入研究。
现有技术中具有高增益能力的三端口变换器普遍存在器件数量多、体积和重量大、难以实现软开关等缺点。同时，目前的充电机通常采用LLC全桥拓扑结构，只有一个输出端口，只能给一组电池充电，导致充电效率低下。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于双陷波器的隔离型三端口变换器及其控制方法解决了现有技术中只能对一组电池进行充电导致的效率低下的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供了一种基于双陷波器的隔离型三端口变换器，其包括半桥整流网络P1、半桥整流网络P2、半桥整流网络P3、三绕组变压器P4；所述半桥整流网络P1连接三绕组变压器P4的原边绕组，即连接三绕组变压器P4的第一绕组；所述半桥整流网络P2连接三绕组变压器P4的一个副边绕组，即连接三绕组变压器P4的第二绕组；所述半桥整流网络P3连接三绕组变压器P4的另一个副边绕组，即连接三绕组变压器P4的第三绕组。
提供了一种基于双陷波器的隔离型三端口变换器的控制方法，其包括以下步骤：
S1、通过半桥变换得到三个频率相同、相位不同的占空比为50％的方波电压，即端口1的电压、端口2的电压以及端口3的电压；其中，端口1为直流电源V1的两端，端口2为电源模块V2的两端，端口3为电源模块V3的两端；
S2、通过控制开关频率改变隔离型三端口变换器的半桥整流网络P1、半桥整流网络P2和半桥整流网络P3的阻抗，通过改变端口2的电压值和端口3的电压值，对端口2和端口3的功率比值进行控制；
S3、通过控制移相角的大小和方向对功率传递的大小和方向进行控制，结合步骤S2的开关频率对隔离型三端口变换器的工作模式进行切换。
进一步地，三绕组变压器P4包括型号为PQ50/50的锰锌铁氧体磁芯。
进一步地，半桥整流网络P1包括型号全为P3M06060K3的碳化硅场效应管S1和碳化硅场效应管S2；碳化硅场效应管S1的漏极分别连接直流电容C1的正极、直流电容C7的正极、二极管D1的负极和直流电源V1的正极；滤波电感L1的一端分别连接碳化硅场效应管S1的源极、直流电容C7的负极、二极管D1的正极、碳化硅场效应管S2的漏极、二极管D2的负极和直流电容C8的正极，滤波电感L1的另一端连接三绕组变压器P4的第一绕组的同名端；碳化硅场效应管S2的源极分别连接直流电容C2的负极、直流电容C8的负极、二极管D2的正极和直流电源V1的负极；直流电容C1的负极分别连接直流电容C2的正极和三绕组变压器P4的第一绕组的异名端；
进一步地，半桥整流网络P2包括陷波器P5和型号全为P3M06060K3的碳化硅场效应管S3和碳化硅场效应管S4；碳化硅场效应管S3的漏极分别连接直流电容C3的正极、直流电容C9的正极、二极管D3的负极和直流电源V2的正极；滤波电感L2的一端分别连接碳化硅场效应管S3的源极、直流电容C9的负极、二极管D3的正极、碳化硅场效应管S4的漏极、二极管D4的负极和直流电容C10的正极，漏感L2的另一端连接陷波器P5的一端；陷波器P5的另一端连接三绕组变压器P4的第二绕组的同名端；碳化硅场效应管S4的源极分别连接直流电容C4的负极、直流电容C10的负极、二极管D4的正极和直流电源V2的负极；直流电容C3的负极分别连接直流电容C4的正极和三绕组变压器P4的第二绕组的异名端；
进一步地，半桥整流网络P3包括陷波器P6和型号全为P3M06060K3的碳化硅场效应管S5和碳化硅场效应管S6；碳化硅场效应管S5的漏极分别连接直流电容C5的正极、直流电容C11的正极、二极管D5的负极和直流电源V3的正极；漏感L3的一端分别连接碳化硅场效应管S5的源极、直流电容C11的负极、二极管D5的正极、碳化硅场效应管S6的漏极、二极管D6的负极和直流电容C12的正极，漏感L3的另一端连接陷波器P6的一端；陷波器P6的另一端连接三绕组变压器P4的第三绕组的同名端；碳化硅场效应管S6的源极分别连接直流电容C6的负极、直流电容C12的负极、二极管D6的正极和直流电源V3的负极；直流电容C5的负极分别连接直流电容C6的正极和三绕组变压器P4的第三绕组的异名端
进一步地，陷波器P5包括谐振电感Lr1和谐振电容Cr1；谐振电感Lr1和谐振电容Cr1两者并联；陷波器P6包括谐振电感Lr2和谐振电容Cr2；谐振电感Lr2和谐振电容Cr2两者并联。
进一步地，陷波器1和陷波器2的谐振频率不同。
本发明的有益效果为：该基于双陷波器的隔离型三端口变换器具有开关数量少、可实现软开关、功率可多向流动的优势；该基于双陷波器的隔离型三端口变换器的控制方法采用移相与调频的混合控制，利用陷波器特性，变频控制端口的通断、阻抗大小，实现解耦；当本发明提供的隔离型三端口变换器运行于共同工作区间，可实现对不同类型、不同电压等级的电池同时进行充电，提高充电效率。
附图说明
图1为本发明的隔离型三端口变换器的电路结构图；
图2为本发明的具体流程图；
图3为本发明的隔离型三端口变换器的系统控制策略框图；
图4为本发明的隔离型三端口变换器在工作模式1下的一个开关周期内上半周期不同模态的等效电路图；
图5为本发明的隔离型三端口变换器在工作模式1下的一个开关周期内上半周期的波形图；
图6为本发明的隔离型三端口变换器工作模式1的仿真波形图；
图7为本发明的隔离型三端口变换器工作模式2的仿真波形图；
图8为本发明的隔离型三端口变换器工作模式3的仿真波形图；
图9为本发明的隔离型三端口变换器工作模式4的仿真波形图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于双陷波器的隔离型三端口变换器包括半桥整流网络P1、半桥整流网络P2、半桥整流网络P3、三绕组变压器P4；所述半桥整流网络P1连接三绕组变压器P4的原边绕组，即连接三绕组变压器P4的第一绕组；所述半桥整流网络P2连接三绕组变压器P4的一个副边绕组，即连接三绕组变压器P4的第二绕组；所述半桥整流网络P3连接三绕组变压器P4的另一个副边绕组，即连接三绕组变压器P4的第三绕组。
三绕组变压器P4包括型号为PQ50/50的锰锌铁氧体磁芯。
半桥整流网络P1包括型号全为P3M06060K3的碳化硅场效应管S1和碳化硅场效应管S2；碳化硅场效应管S1的漏极分别连接直流电容C1的正极、直流电容C7的正极、二极管D1的负极和直流电源V1的正极；滤波电感L1的一端分别连接碳化硅场效应管S1的源极、直流电容C7的负极、二极管D1的正极、碳化硅场效应管S2的漏极、二极管D2的负极和直流电容C8的正极，滤波电感L1的另一端连接三绕组变压器P4的第一绕组的同名端；碳化硅场效应管S2的源极分别连接直流电容C2的负极、直流电容C8的负极、二极管D2的正极和直流电源V1的负极；直流电容C1的负极分别连接直流电容C2的正极和三绕组变压器P4的第一绕组的异名端；
半桥整流网络P2包括陷波器P5和型号全为P3M06060K3的碳化硅场效应管S3和碳化硅场效应管S4；碳化硅场效应管S3的漏极分别连接直流电容C3的正极、直流电容C9的正极、二极管D3的负极和直流电源V2的正极；滤波电感L2的一端分别连接碳化硅场效应管S3的源极、直流电容C9的负极、二极管D3的正极、碳化硅场效应管S4的漏极、二极管D4的负极和直流电容C10的正极，漏感L2的另一端连接陷波器P5的一端；陷波器P5的另一端连接三绕组变压器P4的第二绕组的同名端；碳化硅场效应管S4的源极分别连接直流电容C4的负极、直流电容C10的负极、二极管D4的正极和直流电源V2的负极；直流电容C3的负极分别连接直流电容C4的正极和三绕组变压器P4的第二绕组的异名端；
半桥整流网络P3包括陷波器P6和型号全为P3M06060K3的碳化硅场效应管S5和碳化硅场效应管S6；碳化硅场效应管S5的漏极分别连接直流电容C5的正极、直流电容C11的正极、二极管D5的负极和直流电源V3的正极；漏感L3的一端分别连接碳化硅场效应管S5的源极、直流电容C11的负极、二极管D5的正极、碳化硅场效应管S6的漏极、二极管D6的负极和直流电容C12的正极，漏感L3的另一端连接陷波器P6的一端；陷波器P6的另一端连接三绕组变压器P4的第三绕组的同名端；碳化硅场效应管S6的源极分别连接直流电容C6的负极、直流电容C12的负极、二极管D6的正极和直流电源V3的负极；直流电容C5的负极分别连接直流电容C6的正极和三绕组变压器P4的第三绕组的异名端。
陷波器P5包括谐振电感Lr1和谐振电容Cr1；谐振电感Lr1和谐振电容Cr1两者并联；
陷波器P6包括谐振电感Lr2和谐振电容Cr2；谐振电感Lr2和谐振电容Cr2两者并联。
陷波器1和陷波器2的谐振频率不同。
如图2所示，一种基于双陷波器的隔离型三端口变换器的控制方法包括以下步骤：
S1、通过半桥变换得到三个频率相同、相位不同的占空比为50％的方波电压，即端口1的电压、端口2的电压以及端口3的电压；其中，端口1为直流电源V1的两端，端口2为电源模块V2的两端，端口3为电源模块V3的两端；
S2、通过控制开关频率改变隔离型三端口变换器的半桥整流网络P1、半桥整流网络P2和半桥整流网络P3的阻抗，通过改变端口2的电压值和端口3的电压值，对端口2和端口3的功率比值进行控制；
S3、通过控制移相角的大小和方向对功率传递的大小和方向进行控制，结合步骤S2的开关频率对隔离型三端口变换器的工作模式进行切换。
在本发明的一个实施例中，本发明提供的隔离型三端口变换器有四种工作模式，分别为双输出模式、单输出模式、均压模式以及反向放电模式；本发明提供的移相调频控制方法控制隔离型三端口变换器在这四种工作模式中切换，且所有开关管零电压导通；其中，开关管即为碳化硅场效应管。当隔离型三端口变换器工作在陷波器的谐振频率时，端口电压增益几乎为零；再使用移相调频控制可以灵活的选择工作端口，可实现宽增益。如图3所示，在频率控制中，根据给定的电流值和端口3的电流值得到基淮电流比值k，并与采样得到的电流比值进行相减得到差值；将此差值经过线性控制器PI后传输至压控振荡器VCO，得到隔离型三端口变换器的工作频率fs。在移相控制中，将两个基准值和检测得到的两个负载电流分别进行比较得到对应的误差信号1和误差信号2；将误差信号1和误差信号2分别输入线性控制器PI1和线性控制器PI2得到端口1到端口2的移相角和端口1到端口3的移相角对移相角/>和移相角/>分别进行/>限幅后经过移相调制器得到对应的方波调制信号；根据方波调制信号来控制各个开关管的通断，控制三端口的DC/DC变换器。
本发明中的陷波器1和陷波器2的谐振频率分别设为fr1和fr2，隔离型三端口变换器的工作频率为fs。隔离型三端口变换器的四种工作模式中如下：
工作模式1：即双输出模式，端口2的电池模块V2和端口3的电池模块V3同时充电，工作频率需满足条件：fr1<fs<fr2，且移相角和移相角/>都为正；
工作模式2：即单输出模式，端口2的电池模块V2或端口3的电池模块V3充电，工作频率需满足条件：fr1＝fs或fs＝fr2，且移相角和移相角/>都为正；
工作模式3：即均压模式，端口1不工作，工作频率需满足条件：fr1<fs<fr2，且选择的输入端口移相角为0，输出端口移相角为正；
工作模式4：即反向放电模式，端口2的电池模块V2和端口3的电池模块放电给端口1负载，工作频率需满足条件：fr1<fs<fr2，且移相角和移相角/>都为负。
以双输出模式为例，设置以下条件：隔离型三端口变换器工作在稳定状态；每个电容电感以及三绕组变压器为理想元件；开关管视为理想开关、二极管与电容并联组成；滤波电容足够大，可忽略输出电压波纹。则该隔离型三端口变换器在一个开关周期内有18个工作模态，模态等效电路图和电压电流波形图分别如图4和图5所示，直线表示放电，虚线表示充电，隔离型三端口变换器一个开关周期内上半周期不同模态如下：
如图4a所示，模态1[t0-t1]：t0时刻，端口1处于死区时间，开关管S1的寄生电容放电，开关管S2的寄生电容充电。端口1电流iL1流过与开关管S1反向并联的电容C7，其余两端口运行特性保持不变。
如图4b所示，模态2[t1-t2]：t1时刻，开关管S1导通；与开关管S1反向并联的电容C7优先于开关管S1导通，则开关管S1实现零电压导通，其余两端口运行特性保持不变。
如图4c所示，模态3[t2-t3]：t2时刻，端口1电流iL1从负值上升到0，其余两端口运行特性保持不变。
如图4d所示，模态4[t3-t4]：t3时刻，端口2电流iL2从负值上升到0，其余两端口运行特性保持不变。
如图4e所示，模态5[t4-t5]：t4时刻，端口2处于死区时间，开关管S3的寄生电容放电，开关管S4的寄生电容充电；端口2电流iL2流过与开关管S3反向并联的电容C9，其余两端口运行特性保持不变。
如图4f所示，模态6[t5-t6]：t5时刻，开关管S3导通；与开关管S3反向并联的电容C9优先于开关管S3导通，则开关管S3实现了零电压导通，其余两端口运行特性保持不变。
如图4g所示，模态7[t6-t7]：t6时刻，端口3电流iL3从正值下降到0，其余两端口运行特性保持不变。
如图4h所示，模态8[t7-t8]：t7时刻，端口3处于死区时间，开关管S6的寄生电容放电，开关管S5的寄生电容充电；端口3电流iL3流过与开关管S6反向并联的电容C12，其余两端口运行特性保持不变。
如图4i所示，模态9[t8-t9]：t8时刻，开关管S6导通；与开关管S6反向并联的电容C12优先于开关管S6导通，开关管S6实现了零电压导通；其余两端口运行特性保持不变。
在双输出模式中，模态1至模态9为一个开关周期的正半周期；模态10至模态18为一个开关周期的负半周期，同理可得负半周期各模态的运行特性。
本发明利用Matlab/Simulink仿真软件搭建一台隔离型三端口变换器仿真模型，其各端口的参数如表1所示：
表1隔离型三端口变换器各端口参数
工作模式1仿真实验波形图如图6所示，端口1接输入400V直流电压源，端口2和端口3分别接输出额定电压60V的电池组，工作频率选为115kHz，移相角和移相角/>都为正，由仿真波形可知功率流向为端口1流向端口2、端口3。端口1电压VAB上升沿时电感电流为负，下升沿时电感电流为正；而副边端口2电压VCD和端口3电压VEF上升沿时电感电流为正，下升沿时电感电流为负，可知三个端口6个开关管都实现了软开关。
工作模式2仿真实验波形图如图7所示，端口1接输入400V直流电压源，端口2接输出额定电压60V的电池组，工作频率选为100kHz，移相角和移相角/>都为正，由电流波形可知端口2不工作，功率流向为端口1流向端口3。由图可知工作的两个端口4个开关管都实现了软开关。
工作模式3仿真实验波形图如图8所示，端口1不接，端口2端口3分别接输出额定电压60V和80V的电池组，工作频率选为115kHz，移相角为正，移相角/>为0，由电流波形可知端口1不工作，功率流向为端口3流向端口2。由图可知工作的两个端口4个开关管都实现了软开关。
工作模式4仿真实验波形图如图9所示，端口1接100Ω负载，端口2端口3分别接输出额定电压60V的电池组，工作频率选为115kHz，移相角和移相角/>都为负，由电流波形可知功率流向为端口2、端口3流向端口1。由图可知工作的三个端口6个开关管都实现了软开关。
综上所述，本发明具有开关数量少、可实现软开关、功率可多向流动的优势；该基于双陷波器的隔离型三端口变换器的控制方法采用移相与调频的混合控制，利用陷波器特性，变频控制端口的通断、阻抗大小，实现解耦；当本发明提供的隔离型三端口变换器运行于共同工作区间，可实现对不同类型、不同电压等级的电池同时进行充电，提高充电效率。

Claims (5)

1.一种基于双陷波器的隔离型三端口变换器，其特征在于：包括半桥整流网络P1、半桥整流网络P2、半桥整流网络P3、三绕组变压器P4；所述半桥整流网络P1连接三绕组变压器P4的原边绕组，即连接三绕组变压器P4的第一绕组；所述半桥整流网络P2连接三绕组变压器P4的一个副边绕组，即连接三绕组变压器P4的第二绕组；所述半桥整流网络P3连接三绕组变压器P4的另一个副边绕组，即连接三绕组变压器P4的第三绕组；
所述半桥整流网络P1包括型号全为P3M06060K3的碳化硅场效应管S1和碳化硅场效应管S2；碳化硅场效应管S1的漏极分别连接直流电容C1的正极、直流电容C7的正极、二极管D1的负极和直流电源V1的正极；滤波电感L1的一端分别连接碳化硅场效应管S1的源极、直流电容C7的负极、二极管D1的正极、碳化硅场效应管S2的漏极、二极管D2的负极和直流电容C8的正极，滤波电感L1的另一端连接三绕组变压器P4的第一绕组的同名端；碳化硅场效应管S2的源极分别连接直流电容C2的负极、直流电容C8的负极、二极管D2的正极和直流电源V1的负极；直流电容C1的负极分别连接直流电容C2的正极和三绕组变压器P4的第一绕组的异名端；
所述半桥整流网络P2包括陷波器P5和型号全为P3M06060K3的碳化硅场效应管S3和碳化硅场效应管S4；碳化硅场效应管S3的漏极分别连接直流电容C3的正极、直流电容C9的正极、二极管D3的负极和直流电源V2的正极；滤波电感L2的一端分别连接碳化硅场效应管S3的源极、直流电容C9的负极、二极管D3的正极、碳化硅场效应管S4的漏极、二极管D4的负极和直流电容C10的正极，漏感L2的另一端连接陷波器P5的一端；陷波器P5的另一端连接三绕组变压器P4的第二绕组的同名端；碳化硅场效应管S4的源极分别连接直流电容C4的负极、直流电容C10的负极、二极管D4的正极和直流电源V2的负极；直流电容C3的负极分别连接直流电容C4的正极和三绕组变压器P4的第二绕组的异名端；
所述半桥整流网络P3包括陷波器P6和型号全为P3M06060K3的碳化硅场效应管S5和碳化硅场效应管S6；碳化硅场效应管S5的漏极分别连接直流电容C5的正极、直流电容C11的正极、二极管D5的负极和直流电源V3的正极；漏感L3的一端分别连接碳化硅场效应管S5的源极、直流电容C11的负极、二极管D5的正极、碳化硅场效应管S6的漏极、二极管D6的负极和直流电容C12的正极，漏感L3的另一端连接陷波器P6的一端；陷波器P6的另一端连接三绕组变压器P4的第三绕组的同名端；碳化硅场效应管S6的源极分别连接直流电容C6的负极、直流电容C12的负极、二极管D6的正极和直流电源V3的负极；直流电容C5的负极分别连接直流电容C6的正极和三绕组变压器P4的第三绕组的异名端；
所述陷波器P5和陷波器P6的谐振频率分别设为和/>，隔离型三端口变换器的工作频率为/>；隔离型三端口变换器的四种工作模式中如下：
工作模式1：即双输出模式，端口2的电池模块V2和端口3的电池模块V3同时充电，工作频率需满足条件：，且移相角/>和移相角/>都为正；
工作模式2：即单输出模式，端口2的电池模块V2或端口3的电池模块V3充电，工作频率需满足条件：或/>，且移相角/>和移相角/>都为正；
工作模式3：即均压模式，端口1不工作，工作频率需满足条件：，且选择的输入端口移相角为0，输出端口移相角为正；
工作模式4：即反向放电模式，端口2的电池模块V2和端口3的电池模块放电给端口1负载，工作频率需满足条件：，且移相角/>和移相角/>都为负。
2.根据权利要求1所述的基于双陷波器的隔离型三端口变换器，其特征在于：所述三绕组变压器P4包括型号为PQ50/50的锰锌铁氧体磁芯。
3.根据权利要求1所述的基于双陷波器的隔离型三端口变换器，其特征在于：所述陷波器P5包括谐振电感Lr1和谐振电容Cr1；谐振电感Lr1和谐振电容Cr1两者并联；
所述陷波器P6包括谐振电感Lr2和谐振电容Cr2；谐振电感Lr2和谐振电容Cr2两者并联。
4.根据权利要求3所述的基于双陷波器的隔离型三端口变换器，其特征在于：所述陷波器P5和陷波器P6的谐振频率不同。
5.一种基于权利要求1~4任一所述的基于双陷波器的隔离型三端口变换器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、通过半桥变换得到三个频率相同、相位不同的占空比为50%的方波电压，即端口1的电压、端口2的电压以及端口3的电压；其中，端口1为直流电源V1的两端，端口2为电源模块V2的两端，端口3为电源模块V3的两端；
S2、通过控制开关频率改变隔离型三端口变换器的半桥整流网络P1、半桥整流网络P2和半桥整流网络P3的阻抗，通过改变端口2的电压值和端口3的电压值，对端口2和端口3的功率比值进行控制；
S3、通过控制移相角的大小和方向对功率传递的大小和方向进行控制，结合步骤S2的开关频率对隔离型三端口变换器的工作模式进行切换。
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