双向混合桥DC-DC变换器及半周期伏秒面积平衡控制方法技术

本发明专利技术公开的一种双向混合桥DC‑DC变换器及半周期伏秒面积平衡控制方法，属于电力电子领域的高频开关电源方向。本发明专利技术公开的双向混合桥DC‑DC变换器由主电路和控制电路组成；所述主电路由输入侧、高频变压器以及输出侧组成；控制电路包括控制器和驱动电路。基于提出的双向混合桥DC‑DC变换器，采用半周期伏秒面积平衡控制。通过同时调节输入侧的占空比以及半周期伏秒面积平衡控制能减小在功率不传递的阶段漏感电流有效值，降低无功电流，从而降低电流造成的电路通态损耗和环流损耗，同时也能实现各个开关管器件的宽范围软开关。另外，通过半周期伏秒面积平衡控制能在实现双向功率流的实时控制的同时，降低控制单元的复杂程度。

【技术实现步骤摘要】
双向混合桥DC-DC变换器及半周期伏秒面积平衡控制方法
本专利技术涉及一种双向DC-DC变换器及用于对变换器进行控制的半周期伏秒面积方法，尤其涉及一种高频隔离式双向混合桥DC-DC变换器及其半周期伏秒面积平衡控制方法，属于电力电子领域的高频开关电源方向。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，双向、高频隔离、高效率的变换器的需求逐步增加，尤其是在包含储能单元的固态变压器，高压直流输电，微电网等各种供电系统场合。这些系统由于需要对储能单元进行充放电的能量控制，要求变换器具有双向可控功率流的特点；考虑到用户侧的安全性，需要实现电气隔离。另外，对于燃料电池和光伏发电等电力电子应用场合，有着很宽的输入电压范围，希望后级的变流器能适应宽范围的电压增益。常用类型的一种双向高频隔离DC-DC变换器的拓扑结构图如图1所示，该拓扑结构为对称结构，变压器一次侧和二次侧都是由开关管组成的全桥电路，所述的两个全桥电路由一个高频变压器连接。此种类型的变换器包含三个控制变量，包括一次侧全桥电路的两个桥臂中心点之间的电压vAB，二次侧全桥电路两个桥臂中心点之间的电压vCD，以及vAB和vCD之间的移相角。通过控制一次侧开关管的驱动信号可以调节电压vAB的占空比大小；通过控制二次侧开关管的驱动信号可以调节电压vCD的占空比大小；通过调节一次侧与二次侧开关管信号之间的相位差可以实现对vAB和vCD之间的移相角的控制。目前针对双有源桥双向DC-DC变换器控制方法可以分为两大类：a)传统的单移相控制策略，b)移相加PWM控制策略。其中移相加PWM控制策略又可以分为两个控制自由度的控制策略和三个控制自由度的控制策略。在实现较大范围的软开关范围的前提下，针对于宽电压增益范围场合下的双向DC-DC变换器方法在IEEETransactiononpowerelectronics【电力电子期刊】于2016年发表的“FundamentalDutyModulationofDual-Active-BridgeConverterforWide-RangeOperation”被提出。文中，通过对变换器变压器电压的基波进行分析，从而得到一种新颖的移相加PWM控制策略。但是，该种控制策略控制方式较为复杂，而且变换器的开光管软开关范围受限。IEEETransactiononpowerelectronics【电力电子期刊】于2016年发表的文献“AModifiedDualActiveBridgeConverterWithHybridPhase-ShiftControlforWideInputVoltageRange”中通过对传统的双有源桥的拓扑结构进行改进结合其所提出的控制方式，从而实现宽电压增益下的宽软开关范围。然而，其的控制器需要进行控制模式的切换，两种模式之间的平滑切换很有难度。IEEETransactiononpowerelectronics【电力电子期刊】将于2017年发表的文献“ADual-BridgeLLCResonantConverterwithFixed-FrequencyPWMControlforWideInputApplications”提出了一种适合宽电压增益下的LLC拓扑结构，然而此拓扑结构只能实现单向功率流，而且该拓扑结构的启动与轻载需要特殊处理。
技术实现思路
为了克服上述的变换器不能实现双向功率流下大范围软开关和宽电压增益、以及控制器设计复杂的问题，本专利技术公开的一种双向混合桥DC-DC变换器及半周期伏秒面积平衡控制方法，要解决的技术问题是针对双向DC-DC变换器场合，提供一种双向混合桥DC-DC变换器拓扑结构及其半周期伏秒面积平衡控制方法。在宽电压增益的背景下，实现宽电压增益下的宽软开关范围、较小的无功损耗以及简单的控制环路设计，从而提高变换器的效率和可靠性。本专利技术公开的一种双向混合桥DC-DC变换器及其半周期伏秒面积平衡控制方法。双向混合桥DC-DC变换器由主电路和控制电路组成；所述主电路由输入侧、高频变压器以及输出侧组成；控制电路包括控制器和驱动电路。基于提出的双向混合桥DC-DC变换器，采用半周期伏秒面积平衡控制。通过同时调节输入侧的占空比以及半周期伏秒面积平衡控制能减小在功率不传递的阶段漏感电流有效值，降低无功电流，从而降低电流造成的电路通态损耗和环流损耗，同时也能实现各个开关管器件的宽范围软开关。另外，通过半周期伏秒面积平衡控制能在实现双向功率流的实时控制的同时，降低控制单元的复杂程度。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的一种双向混合桥DC-DC变换器，主要由主电路和控制电路组成；主电路主要由输入侧、高频变压器以及输出侧构成，输入侧用于将输入的低压进行高频逆变，高频变压器用于实现电气隔离以及增益调整；输出侧用于对变压器交流电压的整形，实现额定电压输出；所述的输入侧为由高频直流电容(C11,C12)和开关管(S1、S2、S3、S4、S5、S6)组成的混合桥电路，输出侧为传统半桥电路，包括开关管(Q1、Q2)和电容(C21、C22)；主电路连接关系是：输入侧的高频直流电容C11和C12串联连接，电容C11和C12的连接点为O点。其中C11的另一端与输入电源正极相接，C12的另一端与输入电源的负极相接。开关管S1的漏极与S3的漏极相连，并且与输入电源正极相连接。同时，开关管S2的源极以及S4的源极相连，并且与输入电源的负极相连接。开关管S1的源极与S2的漏极连接于A点，开关管S3的源极与S4的漏极连接于B点。开关管S6的漏极与电容C11和C12通过O点连接，其的源极与S5的源极相连接。S5的漏极与S3的源极连接于点B。高频变压器一次侧一端与S1的源极连接与A点，另一端与S3的源极连接与B点。高频变压器的二次侧一端为C点，另一端为D点。开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极与变压器二次端C点相接，高频电容C21的一端与C22的一端都与变压器二次侧的D点相接。高频电容C21的另一端连接至输出的正极，高频电容C22的另一端连接至输出的负极。同时，开关管Q1的漏极与输出的正极相连，开关管Q2的源极与输出的负极相连。DC-DC变换器控制电路主要由控制器和驱动电路构成；控制器是以DSP控制器为核心，用于对由传感器采样得到的电压采样信号进行转换，并依据半周期伏秒面积平衡控制方法得到输入侧占空比控制信号d1以及移相角控制信号产生PWM驱动信号，用于调节实际电路的输入侧高频电压占空比及输入侧和输出侧电压之间的移相角保证开关管的软开关以及减小无功损耗和漏感电流有效值，降低电流造成的电路通态损耗和环流损耗。驱动电路用于接收来自控制器的PWM信号，经过隔离和电压增强后为主电路的开关管(S1、S2、S3、S4、S5、S6、Q1、Q2)提供驱动电压。所述的变换器为双向功率流，输入侧与输出侧可以互换。一种用于对双向混合桥DC-DC变换器控制的半周期伏秒面积控制方法，包括输出电压控制环和半周期伏秒面积平衡控制两个控制环路。其中，输出电压控制环路通过将输出侧直流电压的给定Vref与实际输出侧直流电压采样值V2的差值作为输出电压控制器的输入，输出电压控制环路的输出用于调节变压器输入侧电压vAB和变压器输出侧电压vCD之间的移相角控制信号从而实现输出电压的闭本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向混合桥DC‑DC变换器，其特征在于：主要由主电路和控制电路组成；主电路主要由输入侧、高频变压器以及输出侧构成，输入侧用于将输入的低压进行高频逆变，高频变压器用于实现电气隔离以及增益调整；输出侧用于对变压器交流电压的整形，实现额定电压输出；所述的输入侧为由高频直流电容(C

【技术特征摘要】
1.一种双向混合桥DC-DC变换器，其特征在于：主要由主电路和控制电路组成；主电路主要由输入侧、高频变压器以及输出侧构成，输入侧用于将输入的低压进行高频逆变，高频变压器用于实现电气隔离以及增益调整；输出侧用于对变压器交流电压的整形，实现额定电压输出；所述的输入侧为由高频直流电容(C11,C12)和开关管(S1、S2、S3、S4、S5、S6)组成的混合桥电路，输出侧为传统半桥电路，包括开关管(Q1、Q2)和电容(C21、C22)；主电路连接关系是：输入侧的高频直流电容C11和C12串联连接，电容C11和C12的连接点为O点；其中C11的另一端与输入电源正极相接，C12的另一端与输入电源的负极相接；开关管S1的漏极与S3的漏极相连，并且与输入电源正极相连接；同时，开关管S2的源极以及S4的源极相连，并且与输入电源的负极相连接；开关管S1的源极与S2的漏极连接于A点，开关管S3的源极与S4的漏极连接于B点；开关管S6的漏极与电容C11和C12通过O点连接，其的源极与S5的源极相连接；S5的漏极与S3的源极连接于点B；高频变压器一次侧一端与S1的源极连接与A点，另一端与S3的源极连接与B点；高频变压器的二次侧一端为C点，另一端为D点；开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极与变压器二次端C点相接，高频电容C21的一端与C22的一端都与变压器二次侧的D点相接；高频电容C21的另一端连接至输出的正极，高频电容C22的另一端连接至输出的负极；同时，开关管Q1的漏极与输出的正极相连，开关管Q2的源极与输出的负极相连；DC-DC变换器控制电路主要由控制器和驱动电路构成；控制器是以DSP控制器为核心，用于对由传感器采样得到的电压采样信号进行转换，并依据半周期伏秒面积平衡控制方法得到输入侧占空比控制信号d1以及移相角控制信号产生PWM驱动信号，用于调节实际电路的输入侧高频电压占空比及输入侧和输出侧电压之间的移相角保证开关管的软开关以及减小无功损耗和漏感电流有效值，降低电流造成的电路通态损耗和环流损耗；驱动电路用于接收来自控制器的PWM信号，经过隔离和电压增强后为主电路的开关管(S1、S2、S3、S4、S5、S6、Q1、Q2)提供驱动电压。2.根据权利要求1所述的一种双向混合桥DC-DC变换器，其特征在于：变换器为双向功率流，输入侧与输出侧可以互换。3.一种用于对双向混合桥DC-DC变换器控制的半周期伏秒面积控制方法，其特征在于：包括输出电压控制环和半周期伏秒面积平衡控制两个控制环路；其中，输出电压控制环路通过将输出侧直流电压的给定Vref与实际输出侧直流电压采样值V2的差值作为输出电压控制器的输入，输出电压控制环路的输出用于调节变压器输入侧电压vAB和变压器输出侧电压vCD之间的移相角控制信号从而实现输出电压的闭环控制，以及功率流的双向控制；半周期...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙德尚，许国，徐雅雄，焉禹，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11