一种双向半桥三电平DC-DC变换器电流有效值最小化控制方法

摘要

本发明公开了一种双向半桥三电平DC-DC变换器电流有效值最小化控制方法，双向半桥三电平DC-DC变换器的拓扑结构中有三个控制量可控制，分别是一次侧桥臂中点电压占空比D1、二次侧桥臂中点电压占空比D2和一、二次侧桥臂中点电压之间的移相角在满足传输负载所需功率的前提下实现电流有效值最小化控制。发明控制方法可以实现：协调控制D1、D2、在满足负载所需功率的情况下，使变压器电流有效值最小，从而减少电路中磁性元件的铜耗和开关管的通态损耗。同时，在整个传输功率范围内，电路中的所有开关管都能够实现零电压导通，有效减少了功率器件的开关损耗。

说明书

技术领域

本发明涉及隔离型双向DC-DC变换器的控制方法，尤其涉及一种双向半 桥三电平DC-DC变换器的优化控制。

背景技术

隔离型双向DC-DC变换器是可以二象限运行且能够实现输入、输出侧电 气隔离的DC-DC变换器，它作为电力电子变压器的一个重要组成部分，在智 能微网、分布式发电系统以及电力机车牵引系统中被广泛使用。

大功率隔离型双向DC-DC变换器较常用的是双向全桥两电平电路结构， 其拓扑如图1所示，它由两个对称的H桥、中频变压器和两个直流稳压电容构 成。这种变换器结构简单，功率密度大，能实现电气隔离且能量可双向流动。 但是在这种变换器拓扑中的每个开关管承受的电压是输入电压或者输出电压， 因而受开关管耐压等级和器件成本限制，不适合应用于高电压场合。

双向半桥三电平DC-DC变换器的结构如图2所示，它由两个对称的半桥 三电平电路、中频变压器和四个直流稳压电容组成。它除了具有双向全桥 DC-DC变换器的优点外，还具有的一个显著特点是电路中每个开关管的电压 应力只有输入电压或输出电压的一半。同时，在工作电流不变的条件下，三电 平变换器相比于两电平电路可成倍提高变换器功率等级。

双向半桥三电平DC-DC变换器应用传统移相控制的工作波形如图3所示。 其控制原理是：电路中每个桥臂内部上桥臂两只开关管同时导通，下桥臂两只 开关管与上桥臂两只开关管互补导通。两个桥臂之间相对称的两只开关管的导 通信号之间存在移相角的正负决定传输功率的方向，的大小决定传 输功率的大小。移相控制简单易实现，但是没有利用图2中变换器的三电平输 出优点，同时，由于电感电流滞后于电压，还导致了一个开关周期内的输入与 输出方向出现功率环流(如图3中的阴影部分)。当输入输出电压幅值不匹配时， 环流功率和电流应力会大大增加，进而增大了开关器件和磁性元件的损耗，降 低了变换器的效率。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种双向半桥三电平 DC-DC变换器电流有效值最小化控制方法，在满足传输负载所需功率的前提 下实现电流有效值最小化控制。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种双向半桥三电平DC-DC变换器电流有效值最小化控制方法，双向半 桥三电平DC-DC变换器的拓扑结构中有三个控制量可控制，分别是一次侧桥 臂中点电压占空比D₁、二次侧桥臂中点电压占空比D₂和一、二次侧桥臂中点 电压之间的移相角协调控制D₁、D₂和使变换器在满足传输负载所需功 率的前提下同时实现电流有效值最小化控制，其主要实施步骤如下：

a)、控制器的电压控制模块通过对负载侧电压(V₂)和参考电压(V_2ref)的误差 进行反馈控制，得到移相比

b)、读入a)结果，查找表模块根据如下规则得到一次侧桥臂电压的占空比 D₁和二次侧桥臂电压的占空比D₂：

当的范围在时，

当的范围在时，

当的范围在时，D₁＝1，D₂＝1；

c)、将步骤a)、b)得到的D₁和D₂输入开关信号产生模块，产生相应的 开关信号，控制主电路中开关器件的通断。

本发明控制方法的具体执行过程和技术推导如下：

双向半桥三电平DC-DC变换器每个桥臂的中点电压V_AB和V_CD可以输出 正、负、零三个电平。当S₁₁和S₁₂导通，V_AB为正电平；当S₁₂和D₁或S₁₃和 D₂导通，V_AB为零电平；当S₁₃和S₁₄导通，V_AB为负电平。当S₂₁和S₂₂导通， V_CD为正电平，当S₂₂和D₃或S₂₃和D₄导通，V_CD为零电平，当S₂₃和S₂₄导通， V_CD为负电平。V_AB的正、负电平在一个开关周期内的作用时间相同，作用时间 与半个开关周期的比为D₁。V_CD的正、负电平在一个开关周期内的作用时间相 同，作用时间与半个开关周期的比为D₂。电路传输功率受D₁、D₂和影响， 其中为一、二次桥臂中点电压之间的移相角对应的时间与开关周期的比值。 不仅影响传输功率的大小，的正负还决定传输功率的方向。

双向半桥三电平DC-DC变换器在正向传输功率时，随着D₁、D₂、取 不同的值，电路出现六种工况，六种工况的工作波形如图4(a)～(f)所示。其中 三种工况(C、D、E)在电流为最大值的一段时间内，并不传输功率，不满足本 专利对电流有效值最小化控制要求。因此，只利用剩下的三种工况(A、B、F)。

A、B、F三种工况要能够通过控制D₁和D₂改变输出端口正负电平的作用 时间，需满足在正负电平结束时刻(开关管关断时刻)电流流经开关管，例如图 4(a)中要求：i_L(t₂)≥0，i_L(t₃)≤0。开关管导通时，ZVS的条件为：开关管导通 前，工作电流流经其反并联的二极管，例如，图4(a)中：i_L(t₀)≥0，i_L(t₁)≤0。 A、B、F三种工况均可通过控制D₁、D₂、来满足上述开关关断与导通的要 求。

A、B、F三种工况下实现电流有效值最小控制时D₁、D₂、的关系分析 如下：

根据图4中A、B、F三种情况的工作波形，计算每种工况下传输功率的 表达式：$P=\frac{1}{T_S}{\int }_0^{T_S}{V}_{\mathrm{AB}}{i}_L\left(t\right)\mathrm{dt},$

式中k＝nV₂/V₁，n为变压器变比，L为电路中的电感，f_S为开关频率。

由式(1)、(2)、(3)可知，传输功率是D₁、D₂、的函数，为了表述简单， 用抽象函数表示传输功率关于D₁、D₂、的函数。

根据图4中A、B、F三种情况的工作波形，计算每种工况下电感电流有 效值：电感电流有效值是D₁、D₂、的函数，为了表述简 单，用抽象函数表示电感电流有效值关于D₁、D₂、的函数。

由式(1)、(2)、(3)可知，传输相同的功率会有多种不同的D₁、D₂、组合 来实现，在所有的组合中总有一种组合使电感电流有效值最小。计算使电感电 流有效值最小化D₁、D₂、组合的步骤如下：

由式(4)得到关于D₁、D₂、P的关系式：

将式(6)代入式(5)得到电感电流有效值关于D₁、D₂和P的关系式：

I_L＝g₁(D₁,D₂,P)     (7)

分别对式(7)中的D₁、D₂求偏导，并求解使偏导为零的D₁、D₂关于P的关系式， 得到：

D₁＝h₁(P)     (8)

D₂＝h₂(P)     (9)

将式(8)、(9)中的P用式(1)代替，并联合求解式(8)、(9)得到D₁、D₂关于的表 达式：

根据式(10)、(11)得到的D₁、D₂关于的关系式是传输一定功率下所有D₁、 D₂、组合中使电感电流有效值最小化组合。

反向传输功率时，控制方法的分析步骤与上述相同。

根据上述分析步骤，得到从空载到满载整个功率范围内，使电感电流有效 值最小化D₁、D₂关于的关系式，如表1所示。在不同的功率范围内，D₁、D₂关于的关系式是分段函数，当传输功率大于时，D₂＝1，即变换 器二次侧桥臂中点电压为两电平；当传输功率大于时，D₁＝1， D₂＝1，即变换器一、二次侧桥臂中点电压均为两电平。反向传输功率时，使 电流有效值最小化D₁、D₂关于的关系式是关于对称的，如图5所示。

表1D₁、D₂关于的关系式

与现有技术相比，本发明控制方法可以实现：协调控制D₁、D₂、在满 足负载所需功率的情况下，使变压器电流有效值最小，从而减少电路中磁性元 件的铜耗和开关管的通态损耗。同时，在整个传输功率范围内，电路中的所有 开关管都能够实现零电压导通，有效减少了功率器件的开关损耗。

附图说明

图1是隔离型双向全桥两电平DC-DC变换器的拓扑结构。

图2是隔离型双向半桥三电平DC-DC变换器的拓扑结构。

图3是传统移相控制的工作波形图。

图4是双向半桥三电平DC-DC变换器正向传输功率的六种工况。其中， 图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别表示A、B、C、D、E、F六种情况的 工作波形。

图5是k＝0.3、0.5、0.7、0.9时，D₁、D₂关于的电流有效值最小控制的 关系曲线。

图6是传统移相控制的实施框图。

图7是电流有效值最小控制方法的实施框图。

图8是开关管导通时间与D₁、D₂和的关系。

具体实施方式

根据发明内容部分提供的控制方法分析步骤以及由表1提供的满足控制目 标的D₁、D₂关于的表达式，图5给出了当k＝0.3、0.5、0.7、0.9时，D₁、D₂关于的控制曲线。控制器实现本专利提出的优化控制方法的具体实施方式如 图7所示：

a)、控制器的电压控制模块通过对负载侧电压(V₂)和参考电压(V_2ref)的误差 进行反馈控制，得到移相比

b)、读入a)结果，根据表1得到一次侧桥臂电压的占空比D₁和二次侧桥臂 电压的占空比D₂：

当的范围在时，

当的范围在时，

当的范围在时，D₁＝1，D₂＝1；

c)、将步骤a)、b)得到的D₁和D₂输入开关信号产生模块，产生相应的 开关信号，控制主电路中开关器件的通断。

图8给出了开关管导通顺序、导通时间与参数D₁和D₂的关系。 图6为传统移相控制的实施框图，由图6、图7对比可知，本发明提供的控制 方法在现有的电压控制模块和开关信号产生模块之间增加了一个D₁、D₂计算模 块。