[发明专利]双有源全桥直流变换器在多重移相控制下的软开关方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

双有源全桥(Dual-Active Bridge，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。

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。

发明内容

本发明目的是：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。

本发明的技术方案是：

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。