阅读说明：本技术 一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法 (Double-active-bridge hybrid phase-shifting control method based on current stress optimization ) 是由 龚健 刘钊 余婕 陆一言 丁力 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法。在双有源桥变压器原边和副边的方波电压中,提取其中的正弦基波电压,与电感电压构成双有源桥的等效电路图；在等效电路图对应的向量图中,调节原边电压幅值、副边电压幅值和原副边电压的夹角,在保证传输功率不变的条件下电感电压取到最小值；原边和副边电压的幅值决定双有源桥原副边各自的内移相调制率,双有源桥原副边之间的外移相调制率由输出电压闭环得到。本发明可以减小双有源桥电路电感电流有效值,减少电路导通损耗,从而提高整个系统的效率。(The invention discloses a double-active-bridge mixed phase-shifting control method based on current stress optimization. Extracting sinusoidal fundamental wave voltage from square wave voltage of a primary side and a secondary side of the double-active-bridge transformer, and forming an equivalent circuit diagram of the double active bridges with inductance voltage; in a vector diagram corresponding to the equivalent circuit diagram, adjusting included angles of a primary side voltage amplitude, a secondary side voltage amplitude and an original secondary side voltage, and taking the inductance voltage to be the minimum value under the condition of ensuring that the transmission power is not changed; the amplitude of the primary side voltage and the secondary side voltage determines the respective internal phase-shift modulation rate of the primary side and the secondary side of the double-active bridge, and the external phase-shift modulation rate between the primary side and the secondary side of the double-active bridge is obtained by an output voltage closed loop. The invention can reduce the effective value of the inductive current of the double-active-bridge circuit and reduce the conduction loss of the circuit, thereby improving the efficiency of the whole system.)

一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法

技术领域

本发明涉及DC-DC变换器技术，具体涉及一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法。

背景技术

随着分布式能源和微电网的发展，DC-DC变换器得到了广泛的应用。其中，双有源桥凭借其双向隔离、控制灵活的特点，在电力电子变压器、电动汽车、储能系统等领域发挥着重要的作用。

移相控制是双有源桥中最为常见的控制方法。移相控制方法包括单移相(SPS)、双重移相(DPS)、扩展移相(EPS)和三重移相(TPS)。SPS控制中只有一个移相角，控制方法相对简单，但该控制方法中电流应力较大，控制不够灵活。DPS控制和EPS控制中存在两个移相角，TPS控制中有是三个移相角，通过增加自由度，提高控制方法的灵活性，从而实现优化的目标。但采用多重移相，通常需要引用复杂的建模分析，应用复杂的数学方法，极大增加了控制方法的复杂性，实用性不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法，可以减小双有源桥电路电感电流有效值，减少电路导通损耗，从而提高整个系统的效率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电流应力优化的双有源桥混合移相控制方法，在双有源桥变压器原边和副边的方波电压中，提取其中的正弦基波电压，与电感电压构成双有源桥的等效电路图；在等效电路图对应的向量图中，调节原边电压幅值、副边电压幅值和原副边电压的夹角，在保证传输功率不变的条件下电感电压取到最小值；原边和副边电压的幅值决定双有源桥原副边各自的内移相调制率，双有源桥原副边之间的外移相调制率由输出电压闭环得到。

进一步的，在双有源桥变压器原边和副边的方波电压中，提取其中的正弦基波电压，与电感电压构成双有源桥的等效电路图，具体方法为：

双有源桥中变压器原边电压V_p和副边电压V_s是具有“+V_in/+V_out,”、“V_in/-V_out”、“0”三个电平的方波，通过傅里叶分解提取其中占主要分量的基波分量V_p1和V_s1取代方波电压，表示为

v_p(t)≈v_p1(t)≈a₁cos(ωt)

v_s(t)≈v_s1(t)≈c₁cos[ω(t-d₃T_hs)]

其中a₁为电压基波分量的幅值，c₁为副边电压基波分量的幅值，d₃为原副边之间外移相调制率，T_hs为半个开关周期；

然后，利用原边电压V_p和副边电压V_s与电感电压V_L1构成双有源桥的等效电路图。

进一步的，在与双有源桥等效电路图对应的向量图中，原边电压V_p1、副边电压V_s1和电感电压V_L1组成三角形，三角形所包围的面积正比与传输功率，V_p1和V_s1夹角为原副边之间的外移相角，通过调整原边电压和副边电压的幅值以及原副边电压向量的夹角能够改变传输功率和电感电压的幅值。

进一步的，双有源桥输入电压V_in和输出电压V_out满足k＝V_in/V_out>1的条件时，让副边电压V_s1取到最大值，保证传输功率不变，调节原边电压V_p1的幅值和相位，使得电感电压V_L1尽可能的垂直于副边电压V_s1，存在两种情况：

通过原边电压V_p1的幅值和相位，使得V_L1垂直于V_s1，此时得到的V_L1为最小电感电压；

调节原边电压V_p1的幅值和相位，不可以使得电感电压V_L1尽可能的垂直于副边电压V_s1，则让原边电压V_p1取到最大值，此时对应的V_L1为最小电感电压；

若双有源桥输入电压V_in和输出电压V_out满足k＝V_in/V_out≤1的条件，则让原边电压V_p1取到最大值，调节副边电压V_s1的幅值和相位，操作方法与k>1的条件相同。

进一步的，原边电压幅值和副边电压幅值决定双有源桥原副边各自内部移相角的大小，在不同电压调制率k条件下，原边内移相调制率d₁和副边内移相调制率d₂表示为：

双有源桥原副边之间的外移相调制率d₃是由输出电压闭环得到，输出电压与参考电压做差，经过PI控制器，输出得到外移相调制率。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明控制方法用基波电压近似代替变压器原副边的方波电压，简化了分析过程，为向量图引入提供了便利；2)本发明控制方法未采用复杂的数学方法，利用向量图分析优化步骤，清晰明了，实用性强；3)本发明控制方法采用混合移相控制取代单一的移相控制，增加了控制的灵活性，实现了减少电流应力的优化目标，且方法简单实用。

附图说明

图1为双有源桥主电路图；

图2为变压器原边电压波形图；

图3为双有源桥等效电路图；

图4为双有源桥基波向量图；

图5为第一种情况V_L1可以垂直V_s1向量图；

图6为第二种情况V_L1不可以垂直V_s1向量图；

图7为全范围的控制方法示意图；

图8为混合移相控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明方案作进一步描述。

双有源桥主电路图如图1所示，其中，V_in和V_out分别是输入电压和输出电压，V_p和V_s分别为变压器原副边桥臂中点输出电压，C_in和C_out分别为输入电容和输出电容,L为外接电感和变压器漏感之和,Q₁-Q₈为原副边的开关器件,m是变压器变比。

为了简化计算过程，以变压器原边为例，将原边电压波形V_p设置成偶对称的形式，如图2所示。由于内移相角的存在，原边电压波形存在“+V_in”、“0”、“-V_in”三个电平，原边内移相角在图2中可以用d₁T_hs表示，其中，d₁表示为原边的移相调制率，T_hs为半个开关周期。由于波形在一个完整的开关周期是对称的，计算时只需要考虑半个周期。

变压器原边电压V_p傅里叶分解如下：

在图2中，原边电压V_p偶对称的，则(1)式中b_n为0，a_n的表达式为：

其中

由(2)式可知，原边电压V_p傅里叶分解后，高次谐波分量的幅值很小，可用正弦基波分量V_p1近似代替方波电压V_p，可得：

v_p(t)≈v_p1(t)≈a₁cos(ωt) (4)

同理，对于变压器副边电压V_s，同样有：

v_s(t)≈v_s1(t)≈c₁cos[ω(t-d₃T_hs)] (5)

其中，d₃T_hs为原边电压和副边电压之间的外移相角。

原边电压基波分量V_p1、副边电压基波分量V_s1和电感电压V_L1一起构成双有源桥的等效电路图如图3所示。根据等效电路图可计算有功传输功率为：

由双有源桥等效电路图作出对应的基波向量图，如图4所示。在向量图中，原边电压V_p1、副边电压V_s1和电感电压V_L1组成三角形，三角形所包围的面积正比与传输功率，V_p1和V_s1夹角为原副边之间的外移相角。通过调整原边电压和副边电压的幅值以及原副边电压向量的夹角可以改变传输功率和电感电压的幅值。原边电压V_p1可以落在半径为4V_in/π的圆内任意一点，同理，副边电压V_s1可以落在半径为4V_o/π的圆内任意一点。当原边电压超前副边电压0-180°时，功率正向传输；当副边电压超前原边电压0-180°时，功率反向传输。

此处只考虑功率正向传输的情况，功率反向与之类似。双有源桥输入电压V_in和输出电压V_out满足k＝V_in/V_out>1的条件时，让副边电压V_s1取到最大值，保证传输功率不变，调节原边电压V_p1的幅值和相位，使得电感电压V_L1尽可能的垂直于副边电压V_s1。存在两种情况：

第一种情况，如图5所示。通过调节原边电压V_p1，在指定的传输功率条件下，可以使得电感电压V_L1垂直于副边电压V_s1，得到的电感电压即为最小电感电压。此时，副边电压V_s1取到最大值，副边不存在内移相角；原边电压V_p1未取到最大值，原边存在内移相角，这种情况等效为原边移相的EPS控制方法。

第二种情况，如图6所示。在指定传输功率条件下，通过调节原边电压V_p1，不能让电感电压V_L1垂直于副边电压V_s1，令原边电压V_p1也取到最大值，对应的电感电压即为该条件下的最小电感电压。此时，原边和副边电压都取得最大幅值，原边和副边都不存在内移相角，这种情况等效为为SPS控制方法。

根据以上两种情况，在k>1的条件下，副边电压V_s1取到最大值，若原边电压V_p1的取值为

采用SPS控制方法。

若原边电压V_p1的取值为

采用原边移相的EPS控制方法。

类似于k>1的情况，在k<1的条件下，原边电压V_p1取到最大值，若副边电压V_s1的取值为

采用SPS控制方法。

若副边电压V_s1的取值为

采用副边移相的EPS控制方法。

综上所述，可以得到全范围的混合移相控制方法如图7所示。对应原边和副边的内移相调制率可表示为：

由此可以得出本发明方法的控制框图，如图8所示。输出电压V_o与参考电压V_o ^*相减，经过PI控制器得到外移相调制率d₃；由输入电压V_in、输出电压V_o和变压器变比计算电压调制率k，通过式(11)计算出原边和副边的内移相调制率d₁和d₂。d₁、d₂、d₃共同影响双有源桥的PWM调制，从而获得最小的电感电压。在阻抗不变的条件下，最小的电感电压对应最小的电感电流。本发明方法通过减小双有源桥电路电感电流有效值，减少电路导通损耗，从而提高整个系统的效率。