[发明专利]谐振式双有源桥的零回流功率软开关调制方法及变换器

说明书

本发明涉及一种谐振式双有源桥的零回流功率软开关调制方法，所述谐振式双有源桥逆变器包括直流侧桥式结构、谐振腔和交流侧桥式结构，该方法中，直流侧桥式结构的多个开关的开启时间具有设定时间差，交流侧桥式结构在正、负半周期内分别有一半开关处于关断状态，另一半开关处于开启状态。与现有技术相比，本发明利用断续电流模式，完全消除回流功率，可以在所有开关实现软开关。这样既减小了开关损耗，又减小了导通损耗，可以极大地提高功率传递效率。

技术领域

本发明涉及功率变换技术领域，尤其是涉及一种谐振式双有源桥的零回流功率软开关调制方法及变换器。

背景技术

随着新能源发电、分布式发电、智能电网等技术的发展，直流-交流的功率变换应用场景越来越多，目前最常用的是直流-交流功率变换设备。为了提高功率密度、减小开关损耗和导通损耗，LC串联谐振被引入双有源桥功率变换器中，构成谐振式双有源桥逆变器。由于交流侧的电压极性会发生变化，普通的直流-直流功率变换器会发生反向短路，无法直接应用于交流系统。对于专门为直流-交流变换设计的功率变换器，由于交流侧的瞬时功率变化很大，以往的调制方法通常利用回流功率来调整功率传输。然而，这会产生较高的导通损耗，降低了功率传递的效率。另外，很多调制方法使用了硬开关技术，这会导致较高的开关损耗，同样降低了功率传递效率。

现有的一种直流-交流半桥功率变换器拓扑结构如图1所示。直流侧使用一个电容稳压，并连接一个全桥结构，全桥的输出电压连接到高频变压器的输入端口。高频变压器的匝数比为1:n。谐振腔由电感L和电容C串联构成，连接在高频变压器的输入端和全桥之间。高频变压器的输出端口通过半桥，最终连接到交流侧。交流侧通过两个串联的电容稳压。对于上述拓扑结构，传统的调制方式是基波调制。这种方法中，全桥和半桥的开关频率均为fr，其中fr代表谐振腔的谐振频率，可以由下方的公式计算得到。全桥产生信号的占空比为d，半桥产生方波，全桥和半桥产生的波形中心对齐。通过改变全桥的占空比，来调整半桥输出电压。基波调制一个开关周期内的信号及电流电压波形如图2所示。在一个周期内每个开关受开关信号控制，可以使全桥输出电压u₁＝0，u₁＝U₁或者u₁＝-U₁，交流侧的半桥可以输出电压u₂＝U₂/2或者u₂＝-U₂/2。在谐振频率上，谐振腔的阻抗为零，因此两侧电压u₁和u₂在高频变压器一次侧的基波幅值会自动达到相等的值。它们的基波幅值分别为：

由此可以得到占空比与输出电压U₂的关系：

现有的一种直流-交流全桥功率变换器拓扑结构如图3所示。与上述的半桥功率变换器类似，将交流侧的半桥换为全桥结构。直流侧使用一个电容稳压，并连接一个全桥结构，全桥的输出电压连接到高频变压器的输入端口。高频变压器的匝数比为1:n。谐振腔由电感L和电容C串联构成，连接在高频变压器的输入端和直流侧全桥之间。高频变压器的输出端口通过交流侧全桥，最终连接到交流侧母线。交流侧母线通过两个串联的电容稳压。在直流-交流全桥功率变换器中使用单移相控制，开关信号和波形如图4所示。和半桥结构相比，全桥结构有更多的开关，因此需要更多的控制信号。直流侧的全桥可以输出电压u₁＝0，u₁＝U₁或者u₁＝-U₁，交流侧的半桥可以输出电压u₂＝U₂或者u₂＝-U₂。在谐振频率上，谐振腔的阻抗为零，因此两侧电压u₁和u₂在高频变压器一次侧的基波幅值会自动达到相等的值。它们的基波幅值分别为：