二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器，基于双有源全桥变流器，通过将其原边一个两电平桥臂替换成二极管箝位三电平桥臂，从而增加一个额外的控制变量，使得拓扑适用于宽电压范围应用场合。同时提供了一种控制方法，基于二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器的原边零电平占空比、原边高电平占空比、副边零电平占空比以及原副边之间移相比四个控制量，实现四自由度全局优化控制，通过协调变流器的四个控制变量，降低电流有效值，提升变流器运行效率。并给出了DAB全局优化运行的闭环控制，使变流器在不同运行工况下，自动实现全局优化运行。

Diode-clamped hybrid three-level dual-active full-bridge converter and its control method

【技术实现步骤摘要】
二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器及其控制方法
本专利技术涉及DC/DC高频隔离变换
，特别是一种适用于宽电压范围的二极管箝位混合三电平双有源全桥变换器及降低其损耗的控制方法。
技术介绍
基于移相控制技术的双有源全桥变流器(DualActiveBridge-IsolatedBidirectionalDC/DCConverter，DAB)具有功率密度高、动态响应快、容易实现软开关、功率能双向流动等优点，在不间断电源、电动汽车、固态变压器等场合广受欢迎。常见的DAB变流器控制方式为移相控制，在高频变压器的原边端口和副边端口产生具有相对相移的两电平或多电平电压方波，同时通过调节原副边方波的相对相移和各电平的占空比调节流经变流器的功率并控制流经高频变压器电流的波形。在传统的两电平DAB变流器中，常用的调制方式有：单移相调制(Singlephaseshiftmodulation,SPSM)、双重移相调制(Dualphaseshiftmodulation,DPSM)、扩展移相调制(Extendedphaseshiftmodulation,EPSM)和三重移相调制(Triplephaseshiftmodulation,TPSM)等。其中TPSM具有三个独立的控制量，是两电平DAB变流器中最灵活的调制方式。然而，当变流器的端口电压发生大范围变化时，如车载的动力电池电压有时可在200V～450V宽范围内变化，在面对这种应用场合，即使采用经过优化后的TPSM调制技术，两电平DAB变流器仍然存在部分工作区域电流应力和电流有效值较大，能量传输效率较低，综合性能仍然有待进一步提高。为了使得变流器适应更宽的端口电压范围，二极管箝位混合三电平DAB变流器可以通过增加一个可控制占空比的中间电平，从而获得一个额外的独立控制变量，突破传统两电平DAB变换器的设计极限，提高整个电压范围和功率范围内输入输出功率的转换效率，实现全局优化运行。而如何实现确定不同电平的占空比，如何协调四个独立的控制变量以降低变流器中隔离变压器的电流应力和电流有效值，是二极管箝位混合三电平DAB变流器拓扑构造和控制方法上亟待解决的问题。目前没有发现同本专利技术类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种二极管箝位混合三电平双有源全桥(DAB)变流器的拓扑结构及其四自由度全局优化控制方法。所述拓扑结构能够适应端口电压宽范围变化的工作场合，所述控制方法能有效降低变流器中隔离变压器的电流有效值和电流应力，自动实现全局优化运行，提高DAB的运行性能。本专利技术是通过以下技术方案实现的。根据本专利技术的一个方面，提供了一种二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器，包括：输入滤波电容Cinp和Cinn、输出滤波电容Co、直流电压源、原边二极管箝位混合三电平全桥H1、副边单相全桥H2、高频隔离变压器、高频电感Ls和控制器；其中：所述原边二极管箝位混合三电平全桥H1包括全控开关器件S1～S6以及二极管D1和D2；其中全控开关器件S1～S4与二极管D1和D2组成一个二极管箝位三电平桥臂，全控开关器件S5和S6组成一个两电平桥臂；所述副边单相全桥H2包括全控开关器件Q1～Q4；所述原边二极管箝位混合三电平全桥H1的直流母线的正极分别与对应直流电压源的正极和输入滤波电容Cinp的正极相连，原边二极管箝位混合三电平全桥H1的直流母线的负极分别与对应直流电压源的负极和输入滤波电容Cinn的负极相连，原边二极管箝位混合三电平全桥H1的二极管中性点与输入滤波电容Cinp和Cinn的串联中点相连，原边二极管箝位混合三电平全桥H1的交流侧通过高频电感Ls与高频隔离变压器的原边相连；所述副边单相全桥H2的直流母线的正极分别与对应直流负载的正极和输出滤波电容Co的正极相连，副边单相全桥H2的直流母线的负极分别与对应直流负载的负极和输出滤波电容Co的负极相连，副边单相全桥H2的交流侧与高频隔离变压器的副边相连；所述全控开关器件S1～S6的控制信号的输入端和全控开关器件Q1～Q4的控制信号的输入端分别与所述控制器对应的开关信号的输出端相连。优选地，所述高频隔离变压器的变比为N:1。优选地，由所述原边二极管箝位混合三电平全桥H1的交流端口电压vp能够产生五种电平：±vin、和0，vin为二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器的输入直流电压；所述副边单相全桥H2的交流端口电压vs能够产生三种电平：±vout和0，vout为二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器的输出电压；其中，记原边二极管箝位混合三电平全桥H1一个开关周期内：±vin电平的占空比为Dp1，0电平的占空比为Dp0；副边单相全桥H2一个开关周期内：0电平的占空比为Ds0，原边二极管箝位混合三电平全桥H1与副边单相全桥H2的相对相移为Dss。优选地，所述控制器包括采样单元、PI控制器和调制单元，其中：所述采样单元包括两个信号输入端，两个信号输入端分别测量输入电压vin和输出电压vout并根据输入电压vin、输出电压vout以及高频隔离变压器变比N得到电压传输比M；所述PI控制器根据输入电压vin和输出电压vout，得到PI控制器输出x；所述调制单元输出开关控制信号的输出端分别与全控开关器件S1～S6和全控开关器件Q1～Q4的控制信号的输入端相连，并根据PI控制器输出x和电压传输比M，得到控制开关控制信号输出的控制变量。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种上述二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器的控制方法，包括如下步骤：通过控制器的采样单元，分别测量输入电压vin和输出电压vout，设置高频隔离变压器变比N，计算电压传输比M；设置控制器的PI控制器参数kp和ki，计算PI控制器输出x；将电压传输比M和PI控制器输出x分别输出至控制器的调制单元，计算移相控制量；根据移相控制量，驱动全控开关器件S1～S6和全控开关器件Q1～Q4，控制全控开关器件的动作，实现优化运行。优选地，所述电压传输比M为：其中，高频隔离变压器变比N作为初值预先设定。优选地，所述PI控制器输出x为：x＝kp(vref-vout)+ki∫(vref-vout)dt(2)其中，0.1≤kp≤10，0.001≤ki≤1，vref为参考电压；PI控制器输出x的范围为[0,1.5]。优选地，所述移相控制量为四个，分别为：Dp1、Dp0、Ds0、Ds0；其中：Dp1控制原边二极管箝位混合三电平全桥H1的±vin电平；Dp0控制原边二极管箝位混合三电平全桥H1的0电平；Ds0控制副边单相全桥H2的0电平；Ds0控制原边二极管箝位混合三电平全桥H1与副边单相全桥H2之间的相对移相。优选地，计算移相控制量的过程，包括：根据电压传输比M的取值，将变流器分为三种运行工况，然后根据PI控制器x的取值，计算相应的四个移相控制量；-第一种运行工况：即2×Nvout＜vin当0＜x＜2M时，各移相控制量逐一计算如下：当2M＜x＜1时，各移相控制量逐一计算如下：当1＜x＜1.5时，各移相控制量逐一计算如下：-第二种运行工况：即当0＜x＜2M-1时，各移相控制量逐一计算如下：当2M-1＜x＜1时，各移相控制量逐一计算如下：当1＜x＜1.5时，各移相控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器，其特征在于，包括：输入滤波电容Cinp和Cinn、输出滤波电容Co、直流电压源、原边二极管箝位混合三电平全桥H1、副边单相全桥H2、高频隔离变压器、高频电感Ls和控制器；其中：所述原边二极管箝位混合三电平全桥H1包括全控开关器件S1～S6以及二极管D1和D2；其中全控开关器件S1～S4与二极管D1和D2组成一个二极管箝位三电平桥臂，全控开关器件S5和S6组成一个两电平桥臂；所述副边单相全桥H2包括全控开关器件Q1～Q4；所述原边二极管箝位混合三电平全桥H1的直流母线的正极分别与对应直流电压源的正极和输入滤波电容Cinp的正极相连，原边二极管箝位混合三电平全桥H1的直流母线的负极分别与对应直流电压源的负极和输入滤波电容Cinn的负极相连，原边二极管箝位混合三电平全桥H1的二极管中性点与输入滤波电容Cinp和Cinn的串联中点相连，原边二极管箝位混合三电平全桥H1的交流侧通过高频电感Ls与高频隔离变压器的原边相连；所述副边单相全桥H2的直流母线的正极分别与对应直流负载的正极以及输出滤波电容Co的正极相连，副边单相全桥H2的直流母线的负极分别与对应直流负载的负极以及输出滤波电容Co的负极相连，副边单相全桥H2的交流侧与高频隔离变压器的副边相连；所述全控开关器件S1～S6的控制信号的输入端和全控开关器件Q1～Q4的控制信号的输入端分别与所述控制器对应的开关信号的输出端相连。...

【技术特征摘要】
1.一种二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器，其特征在于，包括：输入滤波电容Cinp和Cinn、输出滤波电容Co、直流电压源、原边二极管箝位混合三电平全桥H1、副边单相全桥H2、高频隔离变压器、高频电感Ls和控制器；其中：所述原边二极管箝位混合三电平全桥H1包括全控开关器件S1～S6以及二极管D1和D2；其中全控开关器件S1～S4与二极管D1和D2组成一个二极管箝位三电平桥臂，全控开关器件S5和S6组成一个两电平桥臂；所述副边单相全桥H2包括全控开关器件Q1～Q4；所述原边二极管箝位混合三电平全桥H1的直流母线的正极分别与对应直流电压源的正极和输入滤波电容Cinp的正极相连，原边二极管箝位混合三电平全桥H1的直流母线的负极分别与对应直流电压源的负极和输入滤波电容Cinn的负极相连，原边二极管箝位混合三电平全桥H1的二极管中性点与输入滤波电容Cinp和Cinn的串联中点相连，原边二极管箝位混合三电平全桥H1的交流侧通过高频电感Ls与高频隔离变压器的原边相连；所述副边单相全桥H2的直流母线的正极分别与对应直流负载的正极以及输出滤波电容Co的正极相连，副边单相全桥H2的直流母线的负极分别与对应直流负载的负极以及输出滤波电容Co的负极相连，副边单相全桥H2的交流侧与高频隔离变压器的副边相连；所述全控开关器件S1～S6的控制信号的输入端和全控开关器件Q1～Q4的控制信号的输入端分别与所述控制器对应的开关信号的输出端相连。2.根据权利要求1所述的二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器，其特征在于，所述高频隔离变压器的变比为N:1。3.根据权利要求1所述的二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器，其特征在于，由所述原边二极管箝位混合三电平全桥H1的交流端口电压vp能够产生五种电平：±vin、和0，vin为二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器的输入直流电压；所述副边单相全桥H2的交流端口电压vs能够产生三种电平：±vout和0，vout为二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器的输出电压；其中，记原边二极管箝位混合三电平全桥H1一个开关周期内：±vin电平的占空比为Dp1，0电平的占空比为Dp0；副边单相全桥H2一个开关周期内：0电平的占空比为Ds0，原边二极管箝位混合三电平全桥H1与副边单相全桥H2的相对相移为Dss。4.根据权利要求1至3中任一项所述的二极管箝位混合三电平双有源全桥变流器，其特征在于，所述控制器包括采样单元、PI控制器和调制单元，其中：所述采样单元包括两个信号输入端，两个信号输入端分别测量输入电压vin和输出电压vout并根据输入电压vin、输出电压vout以及高频隔离变压器变比N得到电压传输比M；所述PI控制器根据输入电压vin和输出电压vout，得到PI控制器输出x；所述调制单元输出开关控制信号的输出端分别与全控开关器件S1～S6...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国杰，童安平，杭丽君，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31