一种应用于全桥隔离双向DC-DC变换器的归一化相移控制方法

摘要

本发明公开一种应用于全桥隔离双向DC-DC变换器的归一化相移控制方法，设置全桥隔离双向DC-DC变换器的八个开关管脉冲控制信号的占空比为50％；设置每个桥臂的开关管的控制信号互反；以输入侧全桥拓扑的第一个桥臂上管的控制信号为参考，通过调节三个相移控制量来调节变换器的输出电压以及传输功率。本发明可以有效地归一化已有的相移控制方法，通过调节D1、D2以及D3三个相移量之间的关系能够等效为其他相移控制方法，具有最高的灵活性和兼容性，也简化了相移控制方法选取与设计的难度。

说明书

技术领域

本发明属于属于电力电子控制技术领域,尤其是全桥隔离双向DC-DC变换 器(包含半桥三电平，全桥隔离双向DC-DC变换器)的控制系统设计与制造。

背景技术

近年来，随着经济的发展以及环境问题凸显，新能源变流技术的得到了迅 速发展，特别在直流微网，分布式发电系统，电动汽车行业以及区域不间断供 电系统中，为了解决功率流平衡，能量灵活储存等问题，全桥隔离双向DC-DC 变换器因其具有电气隔离、功率密度高、能量能双向流动以及模块级联容易等 优点得到了广泛应用。

在全桥隔离双向DC-DC变换器应用中，相移控制是非常典型应用的控制 方法，传统相移控制能完成功率的双向流动，且控制算法简单。但采用传统相 移控制，变换器会存在回流功率过大、开关应力大、电流应力较大以及系统效 率低等缺点。为优化全桥隔离双向DC-DC变换器的控制性能，国内外学者提 出了多种新型相移控制方法，其中包括扩展相移控制方法、双重相移控制方法 以及三重相移控制方法。

然而，这些众多的相移控制方法，由于控制方面限制条件和局限，较难获 取一个全局优化的控制性能，因此，为了充分利用全桥隔离双向DC-DC变换 器的拓扑结构和特征，完成该变化器综合优化控制性能，一个灵活度更高、兼 容性更强的相移控制方法成为了迫切的需要。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，为解决上述的技术问题，本发明的目的是提出 一种应用于全桥隔离双向DC-DC变换器的归一化相移控制方法，通过调节相 移控制量D₁、D₂与D₃的关系来等效为其它相移控制方法，实质克服现有技术 的以上缺点。

本发明实现其发明目的是通过如下步骤实现的：

(1)将全桥隔离双向DC-DC变换器的八个开关管的控制信号(S₁、S₂、 S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈)的占空比均设置为50％；

(2)设置同一桥臂的控制信号互反，即输入侧全桥拓扑第一个开关管(S₁) 的控制信号与输入侧全桥拓扑第二个开关管(S₂)的控制信号互反，输入侧全 桥拓扑第三个开关管(S₃)的控制信号与输入侧全桥拓扑第四个开关管(S₄) 的控制信号互反，输出侧全桥拓扑第一个开关管的控制信号(S₅)与输出侧全 桥拓扑第二个开关管(S₆)的控制信号互反，输出侧全桥拓扑第三个开关管(S₇) 的控制信号与输出侧全桥拓扑第四个开关管(S₈)的控制信号互反；

(3)设置输入侧全桥拓扑第一个开关管(S₁)的控制信号与输入侧全桥 拓扑第三个开关管(S₃)的控制信号的相移控制量为D₁，设置输入侧全桥拓扑 第一个开关管(S₁)的控制信号与输出侧全桥拓扑第一桥臂上管(S₅)的控制 信号的相移控制量为D₂，设置输入侧全桥拓扑第一个开关管(S₁)的控制信号 与输出侧全桥拓扑第二个桥臂的下管(S₇)的控制信号的相移控制量为D₃；

(4)通过调节相移控制量D₁、D₂以及D₃的大小来完成全桥隔离双向 DC-DC变换器的输出电压及输出功率的控制，通过调节相移控制量D₁、D₂以 及D₃之间的关系来等效为其它相移控制方法完成相移控制。

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)通过以同一开关管(S₁)的控制信号为参考信号，能够得到移相控 制的所有状态，具有最高的灵活性；

(2)通过调节相移控制量D₁、D₂以及D₃的关系，可以等效为已有相移 控制方法，具有最高的兼容性，能够得到其它相移控制的优化效果。

附图说明

图1是本发明方法控制的全桥隔离双向DC-DC变换器拓扑结构示意图。

图2归一化相移控制方法的波形示意图。

图3根据归一化相移控制得到的相移控制方法的遗传图。

图4归一化相移控制方法等效为其它相移控制方法波形示意图。其中：图 (a)为三重相移控制方法(D₁≤D₂≤D₃≤1)；图(b)为三重相移控制方法(D₂≤D₁≤D₃≤1)；图(c)为双重相移控制方法(D₁≤D₂≤D₃≤1,D₃-D₂＝D₁)；图 (d)为双重相移控制方法(D₂≤D₁≤D₃≤1,D₃-D₂＝D₁)；图(e)为扩展相移控 制方法(D₁≤D₂≤D₃≤1,D₁＝0)；图(f)为扩展相移控制(D₁≤D₂≤D₃≤1, D₃-D₂＝0)；图(g)为传统相移控制方法。

图5归一化相移控制方法等效为其它相移控制方法波形实验示意图。其中： 图4.(a)D₁＝0.0346，D₂＝0.0692，D₃＝0.1729；图4.(b)D₁＝0.1658，D₂＝0.0829， D₃＝0.3317；图4.(c)D₁＝0.0508，D₂＝0.1016，D₃＝0.1524；图4.(d)D₁＝0.2735， D₂＝0.1368，D₃＝0.4103；图4.(e)D₁＝0，D₂＝0.0676，D₃＝0.1352；图4.(f)D₁＝0.0676， D₂＝0.1352，D₃＝0.1352；图4.(g)D₁＝0，D₂＝0.1000，D₃＝0.1000。

具体实施方式

下面结合本发明的技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明的全桥隔离双向DC-DC变换器的拓扑结构如图1所示。该变换器 主要由两个全桥变换器组成，一个辅助电感，两个电容，一个高频隔离变压器 组成。其中，n为变压器变比；C₁、C₂分别为电源侧支撑电容和负载侧支撑电 容；U_in为电源侧电压值；L_r为辅助电感值；U_o、i_o分别为输出电流和负载侧电 压；U_ab、U_cd分别为变压器原边H桥输入电压和副边输出电压值；R为变换器 等效负载；两个全桥变换器由8个开关管组成，开关管的驱动脉冲分别为S₁、 S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈。

本发明的系统实例中两个支撑电容C₁和C₂均为2200μF，辅助电感L为 0.2mH，变压器的变比n为1，开关周期T_s为0.1ms，也可以根据具体的情况 设计变换器的参数。

本发明的用于全桥隔离双向DC-DC变换器的归一化相移控制方法的波形 示意图如图2所示，其含有三个相移控制量，通过调节相移控制量D₁、D₂以 及D₃的关系可以等效为其他相移控制方法。该控制方法包括以下步骤：

(1)将全桥隔离双向DC-DC变换器的八个开关管的控制信号(S₁、S₂、 S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈)的占空比均设置为50％；

(2)设置同一桥臂的控制信号互反，即输入侧全桥拓扑第一个开关管(S₁) 的控制信号与输入侧全桥拓扑第二个开关管(S₂)的控制信号互反，输入侧全 桥拓扑第三个开关管(S₃)的控制信号与输入侧全桥拓扑第四个开关管(S₄) 的控制信号互反，输出侧全桥拓扑第一个开关管的控制信号(S₅)与输出侧全 桥拓扑第二个开关管(S₆)的控制信号互反，输出侧全桥拓扑第三个开关管(S₇) 的控制信号与输出侧全桥拓扑第四个开关管(S₈)的控制信号互反；

(3)设置输入侧全桥拓扑第一个开关管(S₁)的控制信号与输入侧全桥 拓扑第三个开关管(S₃)的控制信号的相移控制量为D₁，设置输入侧全桥拓扑 第一个开关管(S₁)的控制信号与输出侧全桥拓扑第一个开关管(S₅)的控制 信号的相移控制量为D₂，设置输入侧全桥拓扑第一个开关管(S₁)的控制信号 与输出侧全桥拓扑第三个开关管(S₇)的控制信号的相移控制量为D₃；

(4)限定相移控制量D₁、D₂以及D₃的范围为均大于0度，小于等于180 度；

(5)设定D₁、D₂以及D₃的关系让其等效为其他相移控制方法，如图4 所示：当D₁≤D₂≤D₃≤1或者D₂≤D₁≤D₃≤1时，归一化相移控制方法等效为三重 相移控制方法，分别如图4.(a)和图4.(b)所示；当D₁≤D₂≤D₃≤1，D₃-D₂＝D₁或者 D₂≤D₁≤D₃≤1，D₃-D₂＝D₁时，归一化相移控制方法等效为双重重相移控制方法， 分别如图4.(c)和图4.(d)所示；当D₁≤D₂≤D₃≤1，D₃-D₂＝D₁或者D₂≤D₁≤D₃≤1， D₃-D₂＝D₁时，归一化相移控制方法等效为双重相移控制方法，分别如图4.(c) 和图4.(d)所示；当D₁≤D₂≤D₃≤1，D₁＝0或者D₁≤D₂≤D₃≤1，D₃＝D₂时，归一化 相移控制方法等效为扩展相移控制方法，分别如图4.(e)和图4.(f)所示；当 D₁≤D₂≤D₃≤1，D₁＝0，D₃＝D₂时，归一化相移控制方法等效为传统相移控制方法， 如图4.(g)所示；

(6)图5为图4各种相移控制状态对应的实验结果。其中，图4.(a)中， D₁＝0.0346，D₂＝0.0692，D₃＝0.1729，归一化相移控制方法等效为三重相移控制 方法(D₁≤D₂≤D₃≤1)；图4.(b)中，D₁＝0.1658，D₂＝0.0829，D₃＝0.3317，归一化 相移控制方法等效为三重相移控制方法(D₂≤D₁≤D₃≤1)；图4.(c)中，D₁＝0.0508， D₂＝0.1016，D₃＝0.1524，归一化相移控制方法等效为双重相移控制方法 (D₁≤D₂≤D₃≤1)；图4.(d)中，D₁＝0.2735，D₂＝0.1368，D₃＝0.4103，归一化相移 控制方法等效为三重相移控制方法(D₂≤D₁≤D₃≤1)；图4.(e)中，D₁＝0，D₂＝0.0676， D₃＝0.1352，归一化相移控制方法等效为扩展相移控制方法(D₁＝0)；图4.(f) 中，D₁＝0.0676，D₂＝0.1352，D₃＝0.1352，归一化相移控制方法等效为扩展相移 控制方法(D₂＝D₃)；图4.(g)中，D₁＝0，D₂＝0.1000，D₃＝0.1000，归一化相移控 制方法等效为传统相移控制方法。

在不脱离本发明思想的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和 精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应 落在本发明的保护范围内。