一种双有源桥DC-DC变换器及其电流应力优化方法技术

本发明专利技术公开了一种双有源桥DC‑DC变换器及其电流应力优化方法，所述电流应力优化方法包括：采集变换器的实际输出电压，并根据采集到的实际输出电压与期望输出电压差值，得到期望标幺化传输功率；根据所述期望标幺化传输功率和变换器的电压转换比，得到内移相比和外移相比；根据所述内移相比和外移相比控制所述原边单相全桥电路和所述副边单相全桥电路中的开关管实现零电压开通或零电流关断，同时使所述变换器的电流应力最小。本发明专利技术通过控制双有源桥的内外移相比，一方面实现了宽负载范围内的输出电压精确控制，另一方面对变换器的电流应力进行了优化，在保证所有全控开关器件实现零电压开通或零电流关断的同时，使变换器的电流应力最小，提高了变换器的效率。

A dual active bridge DC-DC converter and its current stress optimization method

【技术实现步骤摘要】
一种双有源桥DC-DC变换器及其电流应力优化方法
本专利技术属于直流-直流变换器领域，更具体地，涉及一种双有源桥DC-DC变换器及其电流应力优化方法。
技术介绍
现代电网中，随着分布式能源、储能系统、电动汽车的大量接入，直流配电网将发挥越来越重要的作用。基于DC/DC变换器的直流变压器是直流配电网中的核心控制设备，在直流配电网中，需要DC/DC变换器来实现不同电压等级的电网之间的互连，以及电网与负荷之间的连接。双有源桥DC/DC变换器引入了高频变压器，极大地提高了功率密度，同时由于其效率高、能量双向流动、调控迅速等优点，自提出以来，已成为了直流变压器最为适用的变换器。在双有源变换器中，电流应力会影响变换器的效率，较大的电流应力会增加变换器开关器件与磁性元件的损耗。另外，电流应力过大也会对开关器件产生较大的冲击，增加变换器的安全隐患。因此，为了提高变换器的整体效率，提高变换器的安全性，需要在双重移相控制方式下对电流应力进行优化。电流应力的优化分析是在传输功率一定的前提下，根据电流应力的表达式，求解电流应力的最小值。传统的电流应力优化分析方法包括拉格朗日求极值方法、查表法等等。由于电流应力在优化过程中需考虑多个约束条件，拉格朗日求极值方法无法完成多个约束条件下的求解；而查表法会使系统的实时性变差，且不具有普遍适用性。因此，传统双有源桥DC-DC变换器存在电流应力大，导致变换器传输效率低的问题。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于一种双有源桥DC-DC变换器及其电流应力优化方法，旨在解决现有双有源桥DC-DC变换器存在电流应力大，传输效率低的问题。为实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种双有源桥DC-DC变换器，包括：原边单相全桥电路、变压器、副边单相全桥电路、直接功率控制单元、电流应力优化控制单元；所述原边单相全桥电路的直流侧与原边直流电源连接，交流侧通过辅助电感与所述变压器的原边连接；所述副边单相全桥电路的交流侧与所述变压器的副边连接，直流侧与副边直流负载连接；所述直接功率控制单元输入端与所述副边单相全桥电路的直流侧连接，输出端与所述电流应力优化控制单元输入端连接；所述电流应力优化控制单元输出端分别与所述原边单相全桥电路和所述副边单相全桥电路的控制端连接；所述直接功率控制单元，用于采集变换器的实际输出电压，并根据采集到的实际输出电压与期望输出电压，得到期望传输功率；所述电流应力优化控制单元，用于根据所述期望传输功率和变换器的电压转换比，控制所述原边单相全桥电路和所述副边单相全桥电路中的开关管实现零电压开通或零电流关断，同时使所述变换器的电流应力最小；其中，所述变换器的电压转换比为k＝V1/nV2，n为变压器变比、V1为原边单相全桥电路直流侧的输入电压，V2为副边单相全桥电路直流侧的输出电压。进一步地，所述原边单相全桥电路包括：构成第一全桥电路的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和对应的反并联二极管以及原边直流稳压电容；所述第一全桥电路与所述原边直流稳压电容并联。进一步地，所述副边单相全桥电路包括：构成第二全桥电路的第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管和对应的反并联二极管以及副边直流稳压电容；所述第二全桥电路与所述副边直流稳压电容并联。进一步地，根据内移相比和外移相比不同的大小关系，所述变换器有以下四种工作模态：第一模态，对应的边界约束条件为d2＞d1，d1+d2≥1；第二模态，对应的边界约束条件为d2＞d1，d1+d2＜1；第三模态，对应的边界约束条件为d2≤d1，d1+d2＜1；第四模态，对应的边界约束条件为d2≤d1，d1+d2≥1；其中，d1为内移相比，定义为原边全桥电路中第一开关管与第四开关管或副边全桥电路中第五开关管与第八开关管驱动信号开通时间差与半开关周期的比值；d2为外移相比，定义为原边全桥电路中第一开关管与副边全桥电路中第五开关管的驱动信号开通时间差与半开关周期的比值。进一步地，所述电流应力优化控制单元包括：传输功率获取子单元，用于根据变压器变比、原边单相全桥电路直流侧的输入电压、副边单相全桥电路直流侧的输出电压、变换器频率、辅助电感值、变换器的电压转换比和内外移相比，获得变换器的传输功率；传输功率标幺化子单元，用于以变换器最大传输功率为基准值，对所述变换器传输功率进行标幺化，获得变换器四种模态下的标幺化传输功率；电流应力获取子单元，用于根据变压器变比、原边单相全桥电路直流侧的输入电压、变换器频率、辅助电感值、变换器的电压转换比和内外移相比，获得变换器的电流应力；电流应力标幺化子单元，用于以最大平均电流作为基准值，对所述电流应力进行标幺化，获得变换器四种模态下的标幺化电流应力；标幺化电流应力局部优化单元，用于在单一模态下，根据对应的边界约束条件和变换器对应模态下的标幺化传输功率，对变换器的标幺化电流应力进行优化，获得使所述标幺化电流应力最小的内外移相比；标幺化电流应力全局优化单元，用于在四种模态中选择最小的标幺化电流应力，得到实现变换器电流应力最小的内外移相比组合。本专利技术另一方面提供了一种双有源桥DC-DC变换器电流应力优化方法，包括：(1)采集变换器的实际输出电压，并根据采集到的实际输出电压与期望输出电压差值，得到期望标幺化传输功率；(2)根据所述期望标幺化传输功率和变换器的电压转换比，得到内移相比和外移相比；(3)根据所述内移相比和外移相比控制所述原边单相全桥电路和所述副边单相全桥电路中的开关管实现零电压开通或零电流关断，同时使所述变换器的电流应力最小。进一步地，步骤(2)中所述根据所述期望传输功率和变换器的电压转换比，得到内移相比和外移相比，具体包括：(2.1)根据变压器变比、原边单相全桥电路直流侧的输入电压、副边单相全桥电路直流侧的输出电压、变换器频率、辅助电感值、变换器的电压转换比和内外移相比，获得变换器的传输功率；(2.2)以变换器最大传输功率为基准值，对所述变换器传输功率进行标幺化，获得变换器四种模态下的标幺化传输功率；(2.3)根据变压器变比、原边单相全桥电路直流侧的输入电压、变换器频率、辅助电感值、变换器的电压转换比和内外移相比，获得变换器的电流应力；(2.4)以最大平均电流作为基准值，对所述电流应力进行标幺化，获得变换器四种模态下的标幺化电流应力；(2.5)在单一模态下，根据对应的边界约束条件和变换器对应模态下的标幺化传输功率，对变换器的标幺化电流应力进行优化，获得使所述标幺化电流应力最小的内外移相比；(2.6)在四种模态中选择最小的标幺化电流应力，得到实现变换器电流应力最小的内外移相比组合。进一步地，步骤(2.2)中所述变换器最大传输功率为PN＝nV1V2/8fL；其中，n为变压器变比、V1为原边单相全桥电路直流侧的输入电压，V2为副边单相全桥电路直流侧的输出电压，f为变换器频率，L为辅助电感值。进一步地，步骤(2.4)中所述最大平均电流为IN＝nV2/8fL。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：本专利技术的电流应力优化方法，首先在变换器各个子模态对应的边界约束条件内构建可行域，利用可行域内求最优的方法实现单一子模态下电流应力的局部优化控制，然后在四种模态中选择最优的电流应力，通过模态之间的切换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双有源桥DC‑DC变换器，其特征在于，包括：原边单相全桥电路H1、变压器T、副边单相全桥电路H2、直接功率控制单元、电流应力优化控制单元；所述原边单相全桥电路H1的直流侧与原边直流电源连接，交流侧通过辅助电感L与所述变压器T的原边连接；所述副边单相全桥电路H2的交流侧与所述变压器T的副边连接，直流侧与副边直流负载连接；所述直接功率控制单元输入端与所述副边单相全桥电路H2的直流侧连接，输出端与所述电流应力优化控制单元输入端连接；所述电流应力优化控制单元输出端分别与所述原边单相全桥电路H1和所述副边单相全桥电路H2的控制端连接；所述直接功率控制单元，用于采集变换器的实际输出电压，并根据采集到的实际输出电压与期望输出电压，得到期望传输功率；所述电流应力优化控制单元，用于根据所述期望传输功率和变换器的电压转换比，控制所述原边单相全桥电路和所述副边单相全桥电路中的开关管实现零电压开通或零电流关断，同时使所述变换器的电流应力最小；其中，所述变换器的电压转换比为k＝V1/nV2，n为变压器变比、V1为原边单相全桥电路直流侧的输入电压，V2为副边单相全桥电路直流侧的输出电压。

【技术特征摘要】
1.一种双有源桥DC-DC变换器，其特征在于，包括：原边单相全桥电路H1、变压器T、副边单相全桥电路H2、直接功率控制单元、电流应力优化控制单元；所述原边单相全桥电路H1的直流侧与原边直流电源连接，交流侧通过辅助电感L与所述变压器T的原边连接；所述副边单相全桥电路H2的交流侧与所述变压器T的副边连接，直流侧与副边直流负载连接；所述直接功率控制单元输入端与所述副边单相全桥电路H2的直流侧连接，输出端与所述电流应力优化控制单元输入端连接；所述电流应力优化控制单元输出端分别与所述原边单相全桥电路H1和所述副边单相全桥电路H2的控制端连接；所述直接功率控制单元，用于采集变换器的实际输出电压，并根据采集到的实际输出电压与期望输出电压，得到期望传输功率；所述电流应力优化控制单元，用于根据所述期望传输功率和变换器的电压转换比，控制所述原边单相全桥电路和所述副边单相全桥电路中的开关管实现零电压开通或零电流关断，同时使所述变换器的电流应力最小；其中，所述变换器的电压转换比为k＝V1/nV2，n为变压器变比、V1为原边单相全桥电路直流侧的输入电压，V2为副边单相全桥电路直流侧的输出电压。2.根据权利要求1所述的一种双有源桥DC-DC变换器，其特征在于，所述原边单相全桥电路包括：构成第一全桥电路的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和对应的反并联二极管以及原边直流稳压电容；所述第一全桥电路与所述原边直流稳压电容并联。3.根据权利要求1或2所述的一种双有源桥DC-DC变换器，其特征在于，所述副边单相全桥电路包括：构成第二全桥电路的第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管和对应的反并联二极管以及副边直流稳压电容；所述第二全桥电路与所述副边直流稳压电容并联。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种双有源桥DC-DC变换器，其特征在于，根据内移相比和外移相比不同的大小关系，所述变换器有以下四种工作模态：第一模态，对应的边界约束条件为d2＞d1，d1+d2≥1；第二模态，对应的边界约束条件为d2＞d1，d1+d2＜1；第三模态，对应的边界约束条件为d2≤d1，d1+d2＜1；第四模态，对应的边界约束条件为d2≤d1，d1+d2≥1；其中，d1为内移相比，定义为原边全桥电路中第一开关管与第四开关管或副边全桥电路中第五开关管与第八开关管驱动信号开通时间差与半开关周期的比值；d2为外移相比，定义为原边全桥电路中第一开关管与副边全桥电路中第五开关管的驱动信号开通时间差与半开关周期的比值。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种双有源桥DC-DC变换器，其特征在于，所述电流应力优化控制单元包括：传输功率获取子单元，用于根据变压器变比、原边单相全桥电路直流侧的输入电压、副边单相全桥电路直流侧的输出电压、变换器频率、辅助电感值、变换器的电压转换比和内外移相比，获得变换器的传输功率；传输功率标幺化子单元，用于以...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，张天晖，胡燕，关清心，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42