[发明专利]双向AC/DC变换器全范围软开关的控制电路及方法

说明书

本发明提供了一种双向AC/DC变换器实现全范围软开关的控制方法，结合移相与调频控制，将交流侧开关管复位电流控制为交流侧复位电流‑I_B，直流侧开关管的复位电流控制为直流侧复位电流I_up。调制后的电感电流波形中，开关时刻始终有反向的电流给开关管结电容充放电，达成软开关的条件，并在数字控制器中完成对移相占空比和频率的计算。本发明双向AC/DC变换器中开关在全交流电压范围实现软开关，降低了开关损耗。

技术领域

本发明属于电能变换领域，具体涉及一种双向AC/DC变换器实现全范围软开关的控制方法。

背景技术

混合交直流微网是一种集新能源和分布式储能为一体的典型分布式电网结构，双向AC/DC变换器作为构建微网和连接各级分布式储能系统的核心单元，必须具备以下几个特点：

(1)能量双向流动；

(2)易于匹配不同直流电压；

(3)基于性能、安全考虑的高频电气隔离。

除了微网的应用，V2G(Vehicle-to-grid)系统中双向AC/DC变换器也承担了核心的位置。由于大多数电动汽车90％的时间不处于行驶状态，车辆蓄电池可以作为一个单独的分布式储能装置，和电网之间可以进行能量的互相传输。

该类变换器的转换效率、运行特性、装置成本以及响应速度等性能指标的优劣将会直接影响微网和分布式储能系统的性能和推广。随着新能源产业快速发展，对双向隔离AC/DC变换的效率、功率密度、可靠性、成本和功率处理能力等方面不断提出更高的新要求。

目前双向AC/DC变换器通常采用两级式结构，具有控制独立简单，结构容易实现等优势，在工业得到了广泛的应用，是目前双向汽车充电器使用最多的拓扑之一。通过前后级相应的组合可以得到不同的两级式方案，后级DC/DC电路还有反激、正激、串联谐振、LLC等结构方案，都具有各自的特点。

两级式变换系统，虽然前后两级控制相对独立、设计简单，但是由于其传递能量需要经过两级变换，总体效率低、功率器件数量多、成本高、体积大等诸多缺点。此外，通常需要用大容量的电容器来支撑中间直流母线电压，实现前后级功率去耦合，为了降低成本和节约体积，通常采用价格低廉、能量密度大的铝电解电容，但电解电容的引入无疑会降低变换系统可靠性与寿命。由于两级式变换器存在的许多缺点，单级式双向AC/DC变换器近年来得到了广泛学者深入的研究。

在单级式双有源桥型AC/DC变换器的调制策略中，最常使用的方式为移相调制，仅需调节直流和交流侧桥臂输出电压的超前滞后关系，即可实现能量的双向流动。移相调制策略主要分为：单移相调制，扩展移相调制，双移相调制和三移相调制。

单移相调制策略中，交流侧和直流侧的桥臂之间存在一个移相角，该移相角的大小决定了功率传输的大小，该移相角的超前滞后关系决定了功率传输的方向。但是在该调制方式中，由于控制变量少，自由度较低，所以整体控制效果较差，存在功率回流大、环流损耗大的缺陷。

扩展移相调制策略中，除了原副边的移相角外，在一侧全桥桥臂还有内部的移相角，内移相侧的桥臂输出电压由两电平变为三电平形式。功率传输大小与方向和单移相类似，也由两个移相角决定。扩展移相调制与单移相调制相比，具有更多的自由度和更灵活的控制，产生了更多拓宽软开关范围和降低电流应力的控制方法，但是依旧无法实现全范围的软开关。

双移相调制中，除了交流侧和直流侧桥臂间的外移相角外，在两侧全桥桥臂内部都加入了相同的内移相角，两侧H桥输出电压都为相同占空比的三电平电压。相比于扩展移相调制策略，其电平形式更多，能更好的限制回流功率，提升了控制灵活性，但同时控制复杂度也略有提升，且依旧无法实现全范围的软开关。

三移相调制除了原副边移相角外，在两边全桥内部加入了不同角度的移相角，两个H桥输出不同占空比的三电平电压。三移相有3个控制自由度，控制效果相对较优，但控制复杂度较高。