一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种双有源全桥DC‑DC变流器的效率优化设计方法，具体按照如下步骤实施：步骤1，计算双有源全桥DC‑DC变流器半个周期内各时刻的电感电流；步骤2，计算初始工况下工作周期平均传输功率P与回流功率P

【技术实现步骤摘要】
一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化设计方法
本专利技术属于变流器效率优化设计方法
，涉及一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化设计方法。
技术介绍
双有源全桥DC-DC变流器，其电路如图1所示，工作波形图如图2所示，/具有能量可双向流动、易实现软开关、运行安全稳定等优点，因此常常广泛应用于电动汽车、新能源中的储能系统等场合。近年来，许多学者对双向有源全桥DC-DC变流器的效率提升方法进行了研究，取得了一些研究成果。其中，有学者提出在一侧单元桥调制桥臂中点电压，通过减少回流电流来提高效率，但此种方法输入输出电压之比较大或较小时，变换器传输效率仍不尽人意；还有学者提出串联谐振式ZVS双向电压型变换器以此来解决传统电压型变换器固有的电压过冲问题；基于反激变换电流型变换器在解决传统电压型电压过冲问题的同时不可避免的产生了较大的开关电流应力，对开关管的要求较高，传输能量的有效时间缩短；但以上方法均无法实现有效地提高系统整体效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化设计方法，解决了现有技术中存在的双有源全桥DC-DC变流器因功率回流和器件损耗等因素而造成系统运行效率低的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化设计方法，具体按照如下步骤实施：步骤1，计算双有源全桥DC-DC变流器半个周期内各时刻的电感电流；步骤2，计算初始工况下工作周期平均传输功率P与回流功率Ph；步骤3，建立双有源全桥变换器的损耗模型，计算开关器件的通态损耗和开关损耗；步骤4，构建双有源全桥变换器的效率函数，优化移相比和变压器变比得到最优效率，然后计算效率与移相比d的关系从而求出最优效率值。本专利技术的特征还在于，根据开关管开关时序图，所述步骤1具体为：步骤1.1，[t0-t1]：从t0时刻起，一次侧开关器件S1、S4处于导通状态，二次侧开关S6、S7导通，换流器处于通过二极管D1、D4、D6、D7进行续流状态，电感两端电压UL为UL＝U1+nU2，电感电流i(t1)由变压器流向电源侧，其表达式为：其中，i(t0)是t0时刻流过电感的电流值，U1、U2为双有源全桥DC-DC变流器两端的电压，L为电感Lr的电感值，n是连接第一个H全桥和第二个H全桥高频变压器的匝数比，L为电感Lr的电感值，d为两个H桥对应开关管的移相比，T为开关管的开关周期；步骤1.2，[t1-t2]：在此工作阶段中，电感电流继续逐渐减小并在t1时刻过零变为正值，此时一次侧开关S1、S4导通、二次侧开关S6、S7导通，电感两端电压为UL＝U1+nU2，此时电感电流i(t2)的流向由电源侧流向变压器，电感电流i(t2)的大小由下式表达：步骤1.3，[t2-t3]：从t2时刻起二次侧开关管S5、S8控制信号变为正，S5、S8导通，由于电流方向为正，二次侧电流从D5、D8续流，此时电感两端电压值为UL＝U1-nU2，电感电流i(t3)方向由电源侧流向变压器，电感电流i(t3)的大小表达式为：步骤1.4，[t3-t4]：在t3时刻开始，一次侧开关S1、S4关断，由于电感电流不能突变，只能从反并联二极管D2、D3续流，此时二次侧的开关状态不变，仍通过D5、D8续流，而电感电压UL值变为UL＝-U1-nU2，电感电流i(t4)方向仍保持不变，电感电流i(t4)的大小开始逐渐下降，其表达式为：步骤1.5，[t4-t5]：电感电流在t4时刻变为零，之后变为负值继续减小，一次侧开关管S2、S3及二次侧开关S5、S8处于导通状态，电感电压为UL＝-U1+nU2，而电感电流i(t5)方向则变为从变压器侧流向电源侧，电感电流i(t5)的电流大小变为：步骤1.6，[t5-t6]：在此工作过程中一次侧开关管S2、S3仍处于导通状态，二次侧开关管S6、S7在t5时刻导通，由于电感电流仍为负，电流通过反并联二极管D6、D7续流，此时电感电压UL变为UL＝-U1+nU2，对应的电感电流i(t6)为：步骤2具体为：步骤2.1计算初始工况下工作周期平均传输功率P：其中，fs是开关管的开关频率，k为电压变比系数；步骤2.2：计算双有源全桥变换器工作周期的回流功率Ph：其中，Uab是变压器一次侧电压。步骤3具体为：步骤3.1，求变换器的暂态损耗IGBT单次开通损耗为：Eon＝ConVCEic(10)IGBT单次关断损耗为：Eoff＝CoffVCEic(11)其中，Eon为IGBT开通损耗，Eoff为IGBT关断损耗，VCE为集电极-发射极电压，ic为集电极电流，Con为IGBT开通损耗参数和Coff为IGBT关断损耗参数；即得出暂态损耗PSW为：其中，Non、Noff分别为在计算周期T内IGBT的有效开断次数，i代表开关管的个数；步骤3.2，求变换器的导通损耗出开关器件的导通损耗功率Pcon为：化简得：其中，fs是开关管的开关频率，VF为开关管导通压降；步骤3.3，双有源全桥变换器的总损耗为：Ploss＝Pcon+Psw(16)其中，Ploss为系统总损耗，Pcon为系统的导通损耗，Psw为系统的暂态损耗。暂态损耗PSW进一步表示为：其中，U1、U2为双有源全桥DC-DC变流器两端的电压，n是连接第一个H全桥和第二个H全桥高频变压器的匝数比，L为电感Lr的电感值。步骤4中双有源全桥变换器的效率函数为：化简得：然后将电压变比系数的表达式代入式(19)，得到总体效率系统的开关频率fs、一次桥和二次桥之间的移相比d、变压器匝数比n和变换器输入电压U1和输出电压U2有关，随着输出电压U1越大，开关频率fs越小，双有源全桥变换器的效率越高，然后选择一种特定的工况，即就是特定的一系列参数，然后通过式(19)求出一个移相比d的值使得效率达到最优。本专利技术的有益效果是：本专利技术相比其他效率优化控制，本专利技术考虑回流功率，器件损耗等影响双有源全桥DC-DC变流器工作效率的因素，提出了一种根据双有源全桥DC-DC变流器工作时的移相比d来寻求变换器工作时的效率最大点的方法。根据步骤1计算出电感电流的变化，根据步骤2计算出变换器的回流功率和传输功率，根据步骤3计算出功率损耗，最后在步骤4提出变换器效率函数，并可根据效率函数计算出变换器运行的最优效率。附图说明图1是本专利技术一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化控制方法中双有源全桥DC-DC变流器的电路图；图2是本专利技术一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化控制方法中双有源全桥DC-DC变流器的工作波形图；图3是本专利技术一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化控制方法中移相比d与电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化设计方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：/n步骤1，计算双有源全桥DC-DC变流器半个周期内各时刻的电感电流；/n步骤2，计算初始工况下工作周期平均传输功率P与回流功率P

【技术特征摘要】
1.一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化设计方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
步骤1，计算双有源全桥DC-DC变流器半个周期内各时刻的电感电流；
步骤2，计算初始工况下工作周期平均传输功率P与回流功率Ph；
步骤3，建立双有源全桥变换器的损耗模型，计算开关器件的通态损耗和开关损耗；
步骤4，构建双有源全桥变换器的效率函数，优化移相比和变压器变比得到最优效率，然后计算效率与移相比d的关系从而求出最优效率值。


2.根据权利要求1所述的一种双有源全桥DC-DC变流器的效率优化设计方法，根据开关管开关时序图，所述步骤1具体为：
步骤1.1，[t0-t1]：从t0时刻起，一次侧开关器件S1、S4处于导通状态，二次侧开关S6、S7导通，换流器处于通过二极管D1、D4、D6、D7进行续流状态，电感两端电压UL为UL＝U1+nU2，电感电流i(t1)由变压器流向电源侧，其表达式为：



其中，i(t0)是t0时刻流过电感的电流值，U1、U2为双有源全桥DC-DC变流器两端的电压，L为电感Lr的电感值，n是连接第一个H全桥和第二个H全桥高频变压器的匝数比，L为电感Lr的电感值，d为两个H桥对应开关管的移相比，T为开关管的开关周期；
步骤1.2，[t1-t2]：在此工作阶段中，电感电流继续逐渐减小并在t1时刻过零变为正值，此时一次侧开关S1、S4导通、二次侧开关S6、S7导通，电感两端电压为UL＝U1+nU2，此时电感电流i(t2)的流向由电源侧流向变压器，电感电流i(t2)的大小由下式表达：



步骤1.3，[t2-t3]：从t2时刻起二次侧开关管S5、S8控制信号变为正，S5、S8导通，由于电流方向为正，二次侧电流从D5、D8续流，此时电感两端电压值为UL＝U1-nU2，电感电流i(t3)方向由电源侧流向变压器，电感电流i(t3)的大小表达式为：



步骤1.4，[t3-t4]：在t3时刻开始，一次侧开关S1、S4关断，由于电感电流不能突变，只能从反并联二极管D2、D3续流，此时二次侧的开关状态不变，仍通过D5、D8续流，而电感电压UL值变为UL＝-U1-nU2，电感电流i(t4)方向仍保持不变，电感电流i(t4)的大小开始逐渐下降，其表达式为：



步骤1.5，[t4-t5]：电感电流在t4时刻变为零，之后变为负值继续减小，一次侧开关管S2、S3及二次侧开关S5、S8处于导通状态，电感电压为UL＝-U1+nU2，而电感电流i(t5)方向则变为从变压器侧流向电源侧，电感电流i(t5)的电流大小变为：



步骤1.6，[t5-t6]：在此工作过程中一次侧开关管S2、S3仍处于导通状态，二次侧开关管S6、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宁，田博文，曹裕捷，魏登，李壮，张岩，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61