双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法技术

本发明专利技术公开了双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，所述多重移相控制，是通过控制输入输出侧全桥变换器内桥臂与桥臂间的开关相位差，以及两个全桥变换器之间的开关相位差来控制传输功率的大小和方向；所述软开关方法为：对直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出在多重移相控制下稳态状态变压器电流的解析解；通过对直流变换器换相过程进行等效电路建模，代入稳态变压器电流，推导出满足ZVS软开关必要的死区时间解析解。本发明专利技术在不改变DAB型直流变换器拓部结构和电路参数情况下，仅仅对多重移相控制下开关函数死区时间进行优化，即可实现ZVS软开关，极大的提升了直流变换器的功率传输效率。

Soft switching method of double active full bridge DC converter under multiple phase shifting control

The invention discloses a soft switching method of double active full bridge DC converter under multiple phase shifting control. The multiple phase shifting control is to control the size and direction of transmission power by controlling the switch phase difference between the bridge arm and the bridge arm in the full bridge converter at the input and output side and the switch phase difference between the two full bridge converters; the soft switching method is as follows: in the DC converter Based on the first harmonic approximation of each bridge arm switch function and equivalent circuit state variable, the analytical solution of steady-state transformer current under multiple phase-shift control is derived; through the equivalent circuit modeling of DC converter commutation process, the steady-state transformer current is substituted, and the necessary dead time analytical solution of ZVS soft switch is derived. The invention can realize ZVS soft switch by optimizing the dead time of switch function under multiple phase-shifting control without changing the extension structure and circuit parameters of DAB DC converter, which greatly improves the power transmission efficiency of DC converter.

【技术实现步骤摘要】
双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法
本专利技术涉及直流变换器领域，一种双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方式。
技术介绍
双有源全桥(Dual-ActiveBridge，DAB)直流变换器具有电气隔离，功率双向传输和功率密度高等优点，广泛应用于储能等领域。如图一所示，DAB型直流变换器主要由输入侧全桥变换器，输出侧全桥变换器以及高频变压器组成。传统的DAB型直流变换器的多重移相控制方式中，全桥变换器每个桥臂中的两个开关器件采用互补的开关模式，桥臂和桥臂间的开关相位差为180°。通过控制输入和输出侧全桥变换器之间的开关相位差和全桥变压器桥臂和桥臂间的开关相位差，来控制传输功率的大小和方向。此种控制方式可以保证在一定的传输功率前提下，抑制变换器回流功率，大大减小功率器件的损耗和提升变换器的效率。但是这种控制方式由于存在多个控制变量，开关器件的ZVS软开关通常难以实现。这就导致了功率器件的开关损耗大大增加。一方面这会降低变换器的效率，另一方面这会大大增加功率器件的温升。如果温升超过功率器件阈值，则会导致器件寿命的降低或损坏。目前比较流行的做法是，设计固定的开关函数死区时间，保证在最差的工作点附近时，仍能实现零电压(ZVS)软开关。但是这样会导致在其余工作点时，开关器件的体二极管导通时间过长，从而增加不必要的二极管导通损耗，进而降低变换器整体效率。如何动态找出对应每个工作点下的最优开关函数死区时间，既能保证ZVS软开关，又能减小开关器件体二极管导通时间，是非常困难的。专利技术内容本专利技术目的是：提供一种实现方式简单的双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，减小功率器件损耗和提升变换器效率。本专利技术的技术方案是：双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，所述双有源全桥直流变换器包括输入侧全桥变换器、输出侧全桥变换器，以及连接两侧全桥变换器的高频变压器，所述多重移相控制，是通过控制输入输出侧全桥变换器内桥臂与桥臂间的开关相位差，以及两个全桥变换器之间的开关相位差来控制传输功率的大小和方向；所述软开关方法为：对直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出在多重移相控制下稳态状态变压器电流的解析解；通过对直流变换器换相过程进行等效电路建模，代入稳态变压器电流，推导出满足ZVS软开关必要的死区时间解析解。优选的，所述软开关方法应用于具体的闭环控制实现中时，将闭环控制器的输出控制变量代入所述的死区时间解析解，得到动态实现ZVS软开关所需的开关函数死区时间，将死区时间修正开关函数，提高传输功率效率。优选的，在多重移相控制方式中，全桥变换器各个桥臂中的上下两个开关采用互补的开关模式，占空比为50％，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似。优选的，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似后，对双有源全桥直流变换器进行等效电路建模：各个开关当成理想开关，变压器当成理想变压器和漏电感串联的结构。优选的，完成电路建模后，变压器端电压表达为输入输出侧直流母线电压和全桥变换器中点位输出开关函数之间的关系，而全桥变换器中点位输出开关函数由变换器内各桥臂的开关函数代入得到；根据等效电路模型进行状态空间数学表达，进一步推导出稳态变压器电流的解析解。优选的，所述两侧全桥变换器桥臂中的上下两个开关的互补并非绝对互补，之间存在死区时间使得上下两个开关均处于打开的状态，为了实现ZVS软开关，选取合适的死区时间使得换相结束后开关合上时的源极漏极电压差刚好为零。优选的，将对DAB型直流变换器进行等效电路建模并利用一阶谐波近似求解得到的稳态变压器电流，代入至各桥臂换相过程中的等效电路模型中，得到各桥臂ZVS软开关时的死区时间解析解。本专利技术的优点是：本专利技术的双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，对直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出在多重移相控制下稳态状态变压器电流的解析解；通过对直流变换器换相过程进行等效电路建模，代入稳态变压器电流，推导出满足ZVS软开关必要的死区时间解析解。在不改变DAB型直流变换器拓部结构和电路参数情况下，仅仅对多重移相控制下开关函数死区时间进行优化，即可实现ZVS软开关，极大的提升了直流变换器的功率传输效率。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述：图1为双有源全桥直流变换器的原理图；图2为双有源全桥直流变换器各个桥臂中上开关的开关函数曲线和全桥变换器中点位输出开关函数曲线；图3为双有源全桥直流变换器的电路等效模型；图4为桥臂中的上下两个开关存在死区时间的示意图；图5为一个开关周期内各个换相过程应满足的条件示意图。具体实施方式如图1所示，DAB型直流变换器，主要由输入侧全桥变换器，输出侧全桥变换器，以及高频变压器组成，还包括输入侧电源V1、输出测电源V2。在多重移相控制方式中，全桥变换器各个桥臂中的上下两个开关采用互补的开关模式，占空比为50％。以输入侧全桥变换器桥臂A的上开关为基准，各个桥臂中上开关的开关函数如图2所示。其中d1为输入侧全桥变换器中桥臂B对桥臂A的开关相位差占开关周期的比例；s为输出侧全桥变换器桥臂A对输入侧全桥变换器桥臂A的开关相位差占开关周期的比例；d2为输出侧全桥变换器桥臂B对桥臂A的开关相位差占开关周期的比例。在本专利技术中，对开关函数进行一阶谐波近似，则每个开关函数可近似表达为：其中ω为开关角频率。在本专利技术中，对图1所示的DAB型直流变换器进行等效电路建模。在建模中，采用以下近似：各个开关当成理想开关，变压器当成理想变压器和漏电感串联的结构。电路等效模型如图3所示，其中Vp(t)和Vs(t)分别代表输入侧和输出侧变压器的端电压，L为变压器对输入侧等效漏电感。变压器端电压可表达为输入输出侧直流母线电压和全桥变换器中点位输出开关函数之间的关系，如下所示：Vp＝V1Sp(t)＝V1(S1A-S1B)Vs＝V2Sc(t)＝V2(S2A-S2B)代入开关函数的表达式，全桥变换器中点位输出开关函数可表达为：对等效电路模型进行状态空间数学表达，如下：其中N为变压器输入侧对输出侧的线圈匝数比，iL(t)为输入侧变压器电流。由于变压器电流无稳态直流分量，上述状态空间方程的稳态解可表达为：iL(t)＝kccos(ωt)+kssin(ωt)其中在实际应用中，为了减小功率电子器件换相过程中的开关损耗，ZVS软技术通常被广泛应用。为了实现ZVS软开关，桥臂中的上下两个开关并非采用绝对互补的开关方式。以图4为例，存在死区时间dt_fe和dt_re使得上下两个开关均处于打开的状态。为实现ZVS软开关，应选取合适的死区时间使得换相结束后开关合上时的源极漏极电压差刚好为零。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，所述双有源全桥直流变换器包括输入侧全桥变换器、输出侧全桥变换器，以及连接两侧全桥变换器的高频变压器，其特征在于，所述多重移相控制，是通过控制输入输出侧全桥变换器内桥臂与桥臂间的开关相位差，以及两个全桥变换器之间的开关相位差来控制传输功率的大小和方向；所述软开关方法为：对直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出在多重移相控制下稳态状态变压器电流的解析解；通过对直流变换器换相过程进行等效电路建模，代入稳态变压器电流，推导出满足ZVS软开关必要的死区时间解析解。/n

【技术特征摘要】
1.双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法，所述双有源全桥直流变换器包括输入侧全桥变换器、输出侧全桥变换器，以及连接两侧全桥变换器的高频变压器，其特征在于，所述多重移相控制，是通过控制输入输出侧全桥变换器内桥臂与桥臂间的开关相位差，以及两个全桥变换器之间的开关相位差来控制传输功率的大小和方向；所述软开关方法为：对直流变换器中的各个桥臂开关函数，等效电路状态变量进行一阶谐波近似，推导出在多重移相控制下稳态状态变压器电流的解析解；通过对直流变换器换相过程进行等效电路建模，代入稳态变压器电流，推导出满足ZVS软开关必要的死区时间解析解。


2.根据权利要求书1所述的双有源全桥直流变换器的多重移相控制下的软开关方式，其特征在于，所述软开关方法应用于具体的闭环控制实现中时，将闭环控制器的输出控制变量代入所述的死区时间解析解，得到动态实现ZVS软开关所需的开关函数死区时间，将死区时间修正开关函数，提高传输功率效率。


3.根据权利要求书2所述的双有源全桥直流变换器的多重移相控制下的软开关方式，其特征在于，在多重移相控制方式中，全桥变换器各个桥臂中的上下两个开关采用互补的开关模式，占空比为50%，对各个开关的开关函数进行一阶谐波近似。


4.根据权利要求书3所述的双有...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖华，谢晓华，颜健，陆青，沈嘉俊，
申请(专利权)人：艾尚储能科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32