本發(fā)明屬于dc/dc變換器控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于頻率調(diào)節(jié)的雙有源橋dc/dc變換器全范圍軟開關(guān)控制方法。

背景技術(shù)：

雙有源橋dc-dc變換器能夠?qū)崿F(xiàn)電氣隔離以及能量雙向流動(dòng)，具有高效率、低成本、高功率密度等特點(diǎn)，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。近年來(lái)隨著電動(dòng)汽車，不間斷電源，新能源發(fā)電等技術(shù)的發(fā)展，雙有源橋變換器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的雙有源橋電路通常采用單移相控制(single-phase-shift，sps)方式，這種方法控制簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，具有較高的傳輸效率。然而，該方法存在無(wú)功能量回流問(wèn)題，在輸入輸出電壓不匹配時(shí)，能量回流嚴(yán)重，并難以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，增加了變換器的損耗。

中國(guó)專利(cn201410117100)提出了一種串-并型雙有源橋電路，該發(fā)明通過(guò)串-并形式克服雙有源橋電路不能試用于電壓變比較大的場(chǎng)合，降低了開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力，提高變換器的效率，然而該發(fā)明涉及的開關(guān)時(shí)序?yàn)閭鹘y(tǒng)的單移相控制，無(wú)法在電壓、負(fù)載寬范圍變化時(shí)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

中國(guó)專利(cn201410795961)提出了一種基于雙有源橋電路的雙模式直流-直流變換器及其控制裝置，該發(fā)明在傳統(tǒng)雙有源橋電路基礎(chǔ)上加入繼電器等輔助元件，使電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過(guò)繼電器進(jìn)行切換，功率較大時(shí)工作在雙有源橋模式，輕載時(shí)工作在反激模式，拓寬了變換器的輸出范圍。但是，該發(fā)明加入的繼電器體積較大，不利于功率集成，并且該發(fā)明仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)全范圍軟開關(guān)。

中國(guó)專利(cn201510406666)提出了一種移相控制雙有源橋直流變換器交流相量分析法及建模方法，該方法將每個(gè)有源全橋電路等效為一個(gè)方波電壓源，并通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)分解得到等效的正弦電壓疊加，進(jìn)而得到適用于多種移相控制方法的統(tǒng)一小信號(hào)模型。但該發(fā)明給出了統(tǒng)一的小信號(hào)模型，但并不涉及具體的開關(guān)時(shí)序及軟開關(guān)范圍。

中國(guó)專利(cn201511001369)提出了一種雙向dc-dc變換器電流臨界連續(xù)統(tǒng)一控制方法，該發(fā)明公開的控制方法通過(guò)控制變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電壓以及其兩者之間的相位差，使變換器工作在變壓器電流臨界連續(xù)，減小變換器的環(huán)流與導(dǎo)通損耗。由于變壓器電流臨界連續(xù)，該方法能夠減小開關(guān)器件的電流應(yīng)力。然而，由于開關(guān)器件結(jié)電容的存在，臨界連續(xù)的電流無(wú)法在死區(qū)時(shí)間內(nèi)釋放結(jié)電容存儲(chǔ)的能量，開關(guān)過(guò)程中開關(guān)管電壓應(yīng)力較高，這同樣會(huì)造成開關(guān)損耗，特別是在電壓相對(duì)較高的應(yīng)用場(chǎng)合，電壓應(yīng)力造成的開關(guān)損耗尤為明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種基于頻率調(diào)節(jié)的雙有源橋dc/dc變換器全范圍軟開關(guān)控制方法，其在傳統(tǒng)雙重移相控制基礎(chǔ)上，增加開關(guān)頻率調(diào)節(jié)，避開寄生電容造成的硬開關(guān)工作區(qū)，使變換器在全負(fù)載范圍工作在軟開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)寬范圍能量傳輸，提高系統(tǒng)效率。

一種基于頻率調(diào)節(jié)的雙有源橋dc/dc變換器全范圍軟開關(guān)控制方法，包括如下步驟：

(1)設(shè)定變換器的輸出電壓u2以及基礎(chǔ)開關(guān)頻率fbase；

(2)通過(guò)檢測(cè)變換器的輸入電壓u1，確定基礎(chǔ)開關(guān)頻率fbase下軟開關(guān)工作區(qū)兩個(gè)臨界點(diǎn)b1和b2的移相占空比以及內(nèi)移相占空比；

(3)根據(jù)功率傳輸特性計(jì)算兩個(gè)臨界點(diǎn)b1和b2對(duì)應(yīng)的傳輸功率p1和p2；

(4)通過(guò)在軟開關(guān)工作區(qū)內(nèi)調(diào)節(jié)移相占空比和內(nèi)移相占空比dy以適應(yīng)負(fù)載變化；對(duì)于基礎(chǔ)開關(guān)頻率fbase下無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的負(fù)載范圍，通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率使和dy固定在軟開關(guān)工作區(qū)的臨界點(diǎn)b2上；

(5)根據(jù)和dy確定變換器中各開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序并加以控制。

所述步驟(2)中通過(guò)以下公式計(jì)算臨界點(diǎn)b1和b2的移相占空比以及內(nèi)移相占空比：

其中：和dy1分別為臨界點(diǎn)b1的移相占空比和內(nèi)移相占空比，和dy2分別為臨界點(diǎn)b2的移相占空比和內(nèi)移相占空比；當(dāng)u1≥nu2時(shí)，k＝nu2/u1；當(dāng)u1＜nu2時(shí)，k＝u1/nu2；n為變換器中變壓器原副邊的匝比，cds為變換器中開關(guān)管的結(jié)電容，l為變換器中的電感值，tdz為變換器中開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間。

所述步驟(3)中通過(guò)以下公式計(jì)算兩個(gè)臨界點(diǎn)b1和b2對(duì)應(yīng)的傳輸功率p1和p2：

所述步驟(4)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

當(dāng)變換器的輸出功率po在負(fù)載范圍po<p1或po>p2情況下，在zvs(零電壓開關(guān))工作區(qū)內(nèi)根據(jù)以下功率傳輸方程調(diào)節(jié)移相占空比和內(nèi)移相占空比dy；

當(dāng)變換器的輸出功率po在負(fù)載范圍p1≤po≤p2情況下，使dy＝dy2，根據(jù)以下功率傳輸方程調(diào)節(jié)開關(guān)頻率fs以適應(yīng)輸出功率po的變化；

其中：pbase和po^*分別為功率基值和功率標(biāo)幺值。

優(yōu)選地，在dy以及fs的實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程中通過(guò)對(duì)兩個(gè)臨界點(diǎn)的傳輸功率p1和p2適當(dāng)加入滯回環(huán)節(jié)，以避免臨界點(diǎn)附近頻繁切換。

所述步驟(5)確定變換器中各開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序，具體方法如下：

當(dāng)原邊為高壓側(cè)，能量從原邊流向副邊情況時(shí)能量從副邊流向原邊情況時(shí)s1與s2的開關(guān)相位互補(bǔ)，s3與s4的開關(guān)相位互補(bǔ)，q1與q2的開關(guān)相位互補(bǔ)，q3與q4的開關(guān)相位互補(bǔ)，占空比均為50％，q1與q4的開關(guān)相位一致，s1開通時(shí)刻超前s3開通時(shí)刻為dyts/2，s1開通時(shí)刻滯后q1開通時(shí)刻為

當(dāng)副邊為高壓側(cè)，能量從原邊流向副邊情況時(shí)能量從副邊流向原邊情況時(shí)s1與s2的開關(guān)相位互補(bǔ)，s3與s4的開關(guān)相位互補(bǔ)，q1與q2的開關(guān)相位互補(bǔ)，q3與q4的開關(guān)相位互補(bǔ)，占空比均為50％，s1與s4的開關(guān)相位一致，q1開通時(shí)刻超前q3開通時(shí)刻為dyts/2，s1開通時(shí)刻超前q1開通時(shí)刻為

其中：s1和s3為原邊上管，s2和s4為對(duì)應(yīng)s1和s3的原邊下管，q1和q3為副邊上管，q2和q4為對(duì)應(yīng)q1和q3的副邊下管，ts為開關(guān)周期。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：

1.本發(fā)明擴(kuò)大了變換器的軟開關(guān)工作區(qū)，增大了變換器的功率傳輸范圍，提高了變換器傳輸效率。

2.本發(fā)明提高了雙有源橋變換器的控制自由度，擴(kuò)展了雙有源橋變換器的控制思路。

3.本發(fā)明無(wú)需修改雙有源橋硬件電路，不在原有常規(guī)雙有源橋電路結(jié)構(gòu)中添加任何傳感器，有利于減少系統(tǒng)成本。

附圖說(shuō)明

圖1為雙有源橋dc-dc變換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2(a)為時(shí)雙重移相控制的典型開關(guān)波形圖。

圖2(b)為時(shí)雙重移相控制的典型開關(guān)波形圖。

圖3(a)為po^*與dy功率傳輸特性的三維曲線圖。

圖3(b)為po^*與dy功率傳輸特性的二維等高線圖。

圖4為軟開關(guān)工作區(qū)示意圖，其中陰影部分為軟開關(guān)工作范圍，粗體實(shí)線為軟開關(guān)區(qū)中一種可行的功率調(diào)節(jié)曲線。

圖5為全輸出功率范圍內(nèi)dy、fs三者的關(guān)系示意圖。

圖6(a)為本發(fā)明典型臨界zvs開通工作點(diǎn)p2＝1600w下的波形示意圖。

圖6(b)為本發(fā)明典型臨界zvs開通工作點(diǎn)p1＝1250w下的波形示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，雙有源全橋dc-dc變換器包括高頻變壓器t、電感l(wèi)、變壓器兩端的雙有源全橋、兩側(cè)電容c1、c2以及電源u1、u2；該變換器為雙向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，原、副邊可以互換。

在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，兩側(cè)全橋的上下開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，開關(guān)頻率均為fs。變壓器變比為n，定義k＝nu2/u1，輸出功率為po，原、副邊全橋中點(diǎn)電壓分別為uab、ucd，二者基波移相角為為移相占空比，即移相角與π的比值；dy為高壓側(cè)橋臂內(nèi)移相占空比。功率正向傳輸時(shí)，dy∈[0,1]，典型開關(guān)波形如圖2(a)和圖2(b)所示。

開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)zvs開通，需要在開關(guān)死區(qū)時(shí)間內(nèi)完成結(jié)電容cds放電，由于死區(qū)時(shí)間內(nèi)電感電流近似不變，因此可以得到開關(guān)管臨界zvs開通時(shí)的電感電流臨界值，其中原邊開關(guān)管臨界zvs開通時(shí)電感電流邊界為：

副邊開關(guān)管臨界zvs開通時(shí)電感電流邊界為：

上述雙有源橋電路的全范圍軟開關(guān)頻率控制方法，包括以下步驟：

(1)確定變換器的輸出電壓u2，基礎(chǔ)開關(guān)頻率fbase。

(2)測(cè)量變換器輸入電壓u1，根據(jù)輸入電壓u1、輸出電壓u2、基礎(chǔ)開關(guān)頻率fbase、臨界電感電流計(jì)算基礎(chǔ)開關(guān)頻率下軟開關(guān)狀態(tài)dy范圍，如下：

(3)根據(jù)下式確定基礎(chǔ)頻率下軟開關(guān)范圍邊界點(diǎn)移相占空比以及內(nèi)移相占空比dy1、dy2：

(4)根據(jù)以下方程計(jì)算臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳輸功率p1、p2；圖3(a)和圖3(b)給出了po^*與dy的關(guān)系曲線，其中po^*為功率標(biāo)幺值。

(5)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，從軟開關(guān)工作區(qū)內(nèi)選擇合適的dy；對(duì)于基礎(chǔ)開關(guān)頻率fbase下無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的負(fù)載范圍，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率使dy保持在軟開關(guān)工作區(qū)內(nèi)。

5.1對(duì)于po<p1或po>p2的負(fù)載范圍，在zvs工作區(qū)內(nèi)根據(jù)以下功率傳輸方程任意選擇dy均可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，zvs工作區(qū)如圖4所示。

5.2對(duì)于p1、p2之間的功率傳輸范圍，無(wú)法在基礎(chǔ)開關(guān)頻率fbase下實(shí)現(xiàn)zvs開通，這部分功率范圍dy保持工作點(diǎn)不變，通過(guò)提升開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)輸出功率從p2逐漸減小至p1，這時(shí)dy轉(zhuǎn)換為開關(guān)頻率fs降至基礎(chǔ)開關(guān)頻率fbase，如圖5所示。

5.3上述dy、fs的切換在實(shí)際使用中可以適當(dāng)加入滯回環(huán)節(jié)以避免臨界點(diǎn)附近頻繁切換。

由于雙有源橋電路的對(duì)稱性，變換器反向工作以及k>1的情況下，變換器具有同樣的工作特性，該方法同樣適用。

本實(shí)施例中系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，u1＝400v，u2＝240v，變壓器變比n＝13/11，l＝40μh，此時(shí)k≈0.7，基礎(chǔ)開關(guān)頻率fbase＝100khz。根據(jù)軟開關(guān)范圍判定公式計(jì)算臨界軟開關(guān)工作點(diǎn)及其輸出功率：

若采用傳統(tǒng)的雙重移相控制，當(dāng)輸出功率p1<po<p2時(shí)，開關(guān)器件結(jié)電容存儲(chǔ)的能量無(wú)法在死區(qū)時(shí)間內(nèi)完全釋放，開通過(guò)程中開關(guān)管將承受很大的電壓應(yīng)力，同時(shí)開通瞬間結(jié)電容通過(guò)開關(guān)管進(jìn)行放電，產(chǎn)生電流脈沖，造成電磁干擾，降低變換器的可靠性。

本發(fā)明方法具體實(shí)施過(guò)程如圖5所示，當(dāng)輸出功率po>p2時(shí)，采用傳統(tǒng)雙重移相控制即可；當(dāng)輸出功率p1<po<p2時(shí)，維持在不變，輸出功率從p2降至p1過(guò)程中，只調(diào)節(jié)開關(guān)頻率fs，從基礎(chǔ)開關(guān)頻率100khz逐漸提升至125khz；當(dāng)輸出功率po<p1時(shí)，同樣采用傳統(tǒng)雙重移相控制即可；上述過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件全負(fù)載范圍zvs開通。

圖6(a)為傳輸功率為1600w時(shí)的工作波形圖，圖6(b)為傳輸功率為1250w時(shí)的工作波形圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明頻率調(diào)節(jié)過(guò)程中變換器一直處于軟開關(guān)工作狀態(tài)，故本發(fā)明拓寬了變換器的軟開關(guān)工作范圍，實(shí)現(xiàn)了輕載情況下能量的高效傳輸，證明了頻率優(yōu)化策略的正確性與可行性。

上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。