一种用于DAB变换器的综合优化调制方法与流程

一种用于dab变换器的综合优化调制方法
技术领域
1.本发明涉及变换器调制技术领域，具体涉及一种用于dab变换器的综合优化调制方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术的发展，高频隔离功率转换技术将越来越多的应用到电网中，成为实 现电网中快速灵活控制的重要手段。基于移相控制(phase shift modulation scheme,psms)技术 的双有源全桥变流器(dual active bridge-isolated bidirectional dc/dc converter，简称为dab 变换器)具有高功率密度、输入输出电气隔离、能量双向流动、易于实现软开关等特点，在电 力电子变压器、电动汽车、可再生能源发电与储能等场合有着重要应用。常见的dab变换器 的调制方式有：单移相调制(spsm)、双重移相调制(dpsm)、扩展移相调制(epsm)和三重移 相调制(tps)等。
3.对于dab变换器而言，采用spsm调制时，系统呈现出非线性特性。当变换器负载减 轻或者参考电压降低时，变换器的稳定裕度会随之降低，从而使变换器的动态特性恶化，带 来潜在的不稳定因素。为了增强dab变换器的稳定性和抵抗干扰的能力，公开号为 cn108631595a的中国专利公开了《一种单移相调制的dab变换器的线性化控制方法》，其 通过在数字pi控制器和dab变换器之间增加一个线性化单元，抑制单移相调制的dab变换 器的非线性特性。
4.上述现有方案中将dab变换器系统近似为一个线性系统，以防止负载突变或参考输入突 变时引发的振荡，从而保证在不同负载和不同参考电压下dab变换器的稳定性。但是，申请 人发现，上述现有方案中的dab变换器采用的是单移相(spsm)调制，其调制时只包含一个 调制变量，所以对于每个确定的传输功率，在合理的控制变量取值范围之内，有且仅有一个 控制变量的值与之对应，相应的，电感电流有效值和峰值也唯一确定了。然而，这种调制方 式具有很大局限性：在输入输出电压不匹配或轻载情况下，基于该种调制方式的dab变换器 的软开关(zvs)工作范围受到限制，并且会产生很大的回流功率，使得dab变换器难以 在较宽的工作范围内保持高的传输效率。因此，如何设计一种能够保证软开关工作范围并提 高变换器传输效率的调制方法是亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够保证软开 关工作范围并提高变换器传输效率的综合优化调制方法，从而保证dab变换器的转换效率和 工作稳定性。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
7.一种用于dab变换器的综合优化调制方法，包括以下步骤：
8.s1：根据dab变换器调制变量之间的关系生成对应的优化工作模态；
9.s2：根据dab变换器的等效电路，计算对应优化工作模态的稳态特征；稳态特征包
括 传输功率和电感电流峰值；
10.s3：根据dab变换器死区时间内开关管的换流过程，计算实现软开关的控制条件；
11.s4：根据各个优化工作模态的稳态特征以及实现软开关的控制条件，结合三重移相调制 的方式计算对应的综合优化调制方案，并基于所述综合优化调制方案对dab变换器进行调 制。
12.优选的，dab变换器包括一次侧部分和二次侧部分；一次侧部分包括h桥h1和开关管s1至s4；二次侧部分包括h桥h2和开关管s5至s8；其中，开关管均为50％占空比导通，h桥 的桥臂上、下两只开关管的驱动互锁；
13.一次侧部分h1桥的内部相移，即开关管s1和s4驱动信号之间的移相差表示为d1；二次 侧部分h2桥的内部相移，即开关管s5和s8驱动信号之间的移相差表示为d2；一、二次侧部 分h桥之间的外部相移，即开关管s1和s5驱动信号之间的移相差表示为d0；d1、d2及d0均 为dab变换器的调制变量。
14.优选的，生成两个优化工作模态modei和modeii；
15.modei表示为(0《d1《d0《1^d1《d0+d2《1)：在半个开关周期内(0-th)，依次为s1、s3、s6和s7导通阶段，s1、s4、s6和s7导通阶段，s1、s4和s5导通阶段，s1、s4、s5和s8导通 阶段；各导通阶段时序时长分别为d1th、d0t
h-d1th、d2th、t
h-d2t
h-d1th；
16.modeii表示为(0《d0《d1《1^0《d0+d2《d1)：在半个开关周期内(0-th)，依次为s1、s3、 s6和s7导通阶段，s1、s3、s5和s7导通阶段，s1、s3、s5和s8导通阶段，s1、s4、s5和s8导通阶段；各阶段时序时长分别为d0th、d2th、d1t
h-d0t
h-d2th、t
h-d2t
h-d1th。
17.优选的，步骤s2中，所述稳态特征包括传输功率、电感电流峰值和电感电流瞬时值。
18.优选的，优化工作模态的稳态特征通过如下公式表示：
19.modei和modeii的传输功率标幺化结果分别为：
[0020][0021]
p
ii
＝-2[-2d0+d1+2d0d
1-d
12-d2+d2d1]；
[0022]
modei和modeii的电感电流峰值实际值结果为：
[0023][0024]
modei的电感电流瞬时值的实际值结果为：
[0025][0026]
modeii的电感电流瞬时值的实际值结果为：
[0027][0028]
上述公式中：m表示电压转换比；m＝nv2/v1，v1表示变换器输入电压,v2表示变换器 输出电压，n表示变换器变比；fs表示开关频率；th表示半个开关周期；pi和p
ii
分别表 示modei和modeii传输功率的标幺值；i
max
表示电感电流峰值的标幺值；i
l
(0)、i
l
(d1th)、 i
l
(d0th)和i
l
(d0th+d2th)分别表示开关管s1、s4、s5和s8开通时刻的电感电流瞬时值。
[0029]
优选的，步骤s3中，计算实现软开关的控制条件是指计算h桥各个桥臂实现软开关的 最小电流约束。
[0030]
优选的，modei各个桥臂实现软开关的最小电流i
lmin
表示为：
[0031]
桥臂s1和s2：
[0032]
桥臂s3和s4：
[0033]
桥臂s5和s6：
[0034]
桥臂s7和s8：
[0035]
modeii各个桥臂实现软开关的最小电流i
lmin
表示为：
[0036]
桥臂s1和s2：
[0037]
桥臂s3和s4：
[0038]
桥臂s5和s6：
[0039]
桥臂s7和s8：
[0040]
优选的，步骤s4中，通过如下步骤计算综合优化调制方案：
[0041]
s401：以电感电流峰值为目标，以传输功率和软开关条件为约束进行优化调制；
[0042]
s402：在保证传输功率和软开关最小电流约束的前提下计算电感电流峰值的最小值；
[0043]
s403：通过拉格朗日乘数法和kkt条件对优化工作模态modei和modeii进行求解，以 得到对应优化工作模态的优化调制方案；
[0044]
s404：将优化工作模态modei和modeii的优化调制方案进行对比，以得到dab变换器 整个负载范围的综合优化调制方案。
[0045]
优选的，所述优化调制通过如下公式表示：
[0046][0047]
式中：i
max
表示电感电流峰值；p表示传输功率；p
*
表示给定的传输功率值；hi表示 不等式约束，包含实现软开关的最小电流约束和对应工作模态的变量约束。
[0048]
优选的，dab变换器的负载范围被分为四段，各段的优化调制方案通过如下公式表示：
[0049][0050][0051][0052]
[0053][0054]
p
x3
＝2m(1-m)。
[0055]
本发明中的综合优化调制方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0056]
在本发明中，通过优化工作模态的稳态特征、实现软开关的控制条件结合三重移相调制 生成调制方案的方式，能够以电感电流峰值为目标，以传输功率和软开关条件为约束进行优 化调制，进而获得更宽的软开关工作范围和更小的电感电流峰值，即保证了软开关工作范围 并提高了变换器传输效率，能够在减小导通损耗的前提下进一步消除开关损耗，提升了开关 频率和功率密度，从而保证dab变换器的转换效率和工作稳定性。同时，设置优化工作模态 的方式，使得仅需要对优化工作模态进行具体的性能分析和优化，进而能够简化后续的优化 过程提升调制效率。此外，三重移相调制的方式具有三个调制变量，是调制自由度最大的一 种移相调制方式，因此基于该调制方式的优化能更为有效的找到全局最优解。
附图说明
[0057]
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详 细描述，其中：
[0058]
图1为本实施例中综合优化调制方法的逻辑框图；
[0059]
图2为dab变换器的拓扑结构图；
[0060]
图3为tps调制方案下dab变换器的典型波形图；
[0061]
图4(a)至(b)分别为modei和modeii的工作波形图；
[0062]
图5为开关管换流的暂态过程图；
[0063]
图6(a)至(b)分别为不同调制策略的效率对比图；
[0064]
图7为动态切换的波形图；
[0065]
图8(a)至(b)为不同电压转换比m情况下，不同调制策略的电感电流峰值对比图；
[0066]
图9(a)至(d)分别为不同调制策略的软开关范围的对比图。
具体实施方式
[0067]
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
[0068]
实施例：
[0069]
本实施例中公开了一种用于dab变换器的综合优化调制方法。
[0070]
如图1所示，用于dab变换器的综合优化调制方法，包括以下步骤：
[0071]
s1：根据dab变换器调制变量之间的关系生成对应的优化工作模态；
[0072]
s2：根据dab变换器的等效电路，计算对应优化工作模态的稳态特征；稳态特征包括 传输功率和电感电流峰值；
[0073]
s3：根据dab变换器死区时间内开关管的换流过程，计算实现软开关的控制条件；
[0074]
s4：根据各个优化工作模态的稳态特征以及实现软开关的控制条件结合三重移相调制的 方式计算对应的综合优化调制方案，并基于综合优化调制方案对dab变换器进行调制。
[0075]
在本发明中，通过优化工作模态的稳态特征、实现软开关的控制条件结合三重移相调制 生成调制方案的方式，能够以电感电流峰值为目标，以传输功率和软开关条件为约束进行优 化调制，进而获得更宽的软开关工作范围和更小的电感电流峰值，即保证了软开关工作范围 并提高了变换器传输效率，能够在减小导通损耗的前提下进一步消除开关损耗，提升了开关 频率和功率密度，从而保证dab变换器的转换效率和工作稳定性。同时，设置优化工作模态 的方式，使得仅需要对优化工作模态进行具体的性能分析和优化，进而能够简化后续的优化 过程提升调制效率。此外，三重移相调制的方式具有三个调制变量，是调制自由度最大的一 种移相调制方式，因此基于该调制方式的优化能更为有效的找到全局最优解。
[0076]
具体实施过程中，结合图2所示，dab变换器包括一次侧部分和二次侧部分；一次侧部 分包括h桥h1和开关管s1至s4；二次侧部分包括h桥h2和开关管s5至s8；其中，开关管 均为50％占空比导通，h桥的桥臂上、下两只开关管的驱动互锁；具体还包括滤波电容器c1、 c2，高频变压器t，等效电感器l；开关管由有源开关tx、反并联二极管dx和寄生电容 cossx组成。
[0077]
结合图3所示，一次侧部分h1桥的内部相移，即开关管s1和s4驱动信号之间的移相差 表示为d1；二次侧部分h2桥的内部相移，即开关管s5和s8驱动信号之间的移相差表示为d2； 一、二次侧部分h桥之间的外部相移，即开关管s1和s5驱动信号之间的移相差表示为d0；d1、 d2及d0均为dab变换器的调制变量。
[0078]
具体实施过程中，生成了如图4所示的两个优化工作模态modei和modeii。
[0079]
modei表示为(0《d1《d0《1^d1《d0+d2《1)：在半个开关周期内(0-th)，依次为s1、s3、s6和s7导通阶段，s1、s4、s6和s7导通阶段，s1、s4和s5导通阶段，s1、s4、s5和s8导通 阶段；各导通阶段时序时长分别为d1th、d0t
h-d1th、d2th、t
h-d2t
h-d1th；
[0080]
modeii表示为(0《d0《d1《1^0《d0+d2《d1)：在半个开关周期内(0-th)，依次为s1、s3、 s6和s7导通阶段，s1、s3、s5和s7导通阶段，s1、s3、s5和s8导通阶段，s1、s4、s5和s8导通阶段；各阶段时序时长分别为d0th、d2th、d1t
h-d0t
h-d2th、t
h-d2t
h-d1th。
[0081]
具体实施过程中，稳态特征包括传输功率、电感电流峰值和电感电流瞬时值。
[0082]
具体的，优化工作模态的稳态特征通过如下公式表示：
[0083]
modei和modeii的传输功率标幺化结果分别为：
[0084]
[0085]
p
ii
＝-2[-2d0+d1+2d0d
1-d
12-d2+d2d1]；
[0086]
modei和modeii的电感电流峰值实际值结果为：
[0087][0088]
modei的电感电流瞬时值的实际值结果为：
[0089][0090]
modeii的电感电流瞬时值的实际值结果为：
[0091][0092]
上述公式中：m表示电压转换比；m＝nv2/v1，v1表示变换器输入电压,v2表示变换器 输出电压，n表示变换器变比；fs表示开关频率；th表示半个开关周期；pi和p
ii
分别表 示modei和modeii传输功率的标幺值；i
max
表示电感电流峰值的标幺值；i
l
(0)、i
l
(d1th)、 i
l
(d0th)和i
l
(d0th+d2th)分别表示开关管s1、s4、s5和s8开通时刻的电感电流瞬时值。
[0093]
在本发明中，稳态特征包括传输功率、电感电流峰值和电感电流瞬时值，使得能够以电 感电流峰值为目标，以传输功率和软开关条件为约束进行优化调制，进而获得更宽的软开关 工作范围和更小的电感电流峰值，即保证了软开关工作范围并提高了变换器传输效率，能够 在减小导通损耗的前提下进一步消除开关损耗，提升了开关频率和功率密度。
[0094]
具体实施过程中，计算实现软开关的控制条件是指计算h桥各个桥臂实现软开关的最小 电流约束。结合图5所示，dab变换器死区时间内优化modei中开关管s1和s2的切换过程。 本发明通过分析死区时间内开关管的切换过程，推导了开关管实现zvs(软开关)的精确电 流条件，从而为后面的考虑zvs范围的综合优化做准备。如图5所示，电感l和寄生电容 coss1和coss2发生谐振，电感电流i
l
对coss1放电，s1的漏-源电压vds_s1下降；电流i
l
对coss2充电，s2的漏-源电压vds_s2上升。当电压vds_s1下降到0，vds_s2上升到v1时， 开关器件s1和s2的换流过程结束，此时开通开关器件s1就能实现zvs开通。
[0095]
因为存储在寄生电容中的能量总和在开关管换流前后不会改变，所以换流过程中所需要 的能量由电感提供。因此，zvs的实现除了要求正确的电感电流方向(即i
l
《0)外；也需要 一定的电流为死区间隔内寄生电容的充放电过程提供能量(即|i
l
(0)|≥|i
lmin
|)，以
确保寄生 电容中的电荷能够被全部带走，从而保证待开通开关管的电压vds下降为0。
[0096]
其中，i
lmin
表示完成换流过程需要的最小电感电流
[0097]
具体的，modei各个桥臂实现软开关的最小电流i
lmin
表示为：
[0098]
桥臂s1和s2：
[0099]
桥臂s3和s4：
[0100]
桥臂s5和s6：
[0101]
桥臂s7和s8：
[0102]
modeii各个桥臂实现软开关的最小电流i
lmin
表示为：
[0103]
桥臂s1和s2：
[0104]
桥臂s3和s4：
[0105]
桥臂s5和s6：
[0106]
桥臂s7和s8：
[0107]
在本发明中，控制条件是指实现软开关的最小电流约束，使得能够以电感电流峰值为目 标，以传输功率和软开关条件为约束进行优化调制，进而获得更宽的软开关工作范围和更小 的电感电流峰值，即保证了软开关工作范围并提高了变换器传输效率，能够在减小导通损耗 的前提下进一步消除开关损耗，提升了开关频率和功率密度。
[0108]
具体实施过程中，通过如下步骤计算综合优化调制方案：
[0109]
s401：以电感电流峰值为目标，以传输功率和软开关条件为约束进行优化调制；
[0110]
s402：在保证传输功率和软开关最小电流约束的前提下计算电感电流峰值的最小值；
[0111]
s403：通过拉格朗日乘数法和kkt条件对优化工作模态modei和modeii进行求解，以 得到对应优化工作模态的优化调制方案；
[0112]
s404：将优化工作模态modei和modeii的优化调制方案进行对比，以得到dab变换器 整个负载范围的综合优化调制方案。
[0113]
具体的，为了拓宽zvs范围，进一步提高变换器的运行效率，本发明提出了一种基于 zvs约束的优化综合优化调制策略：zvs-tps(三重移相调制)。该调制策略将zvs最小电 流约束和电感电流峰值作为优化目标，在保证较低电流水平的同时进一步扩大zvs的范围， 以达到减小变换器的导通损耗和开关损耗的目的。优化调制通过如下公式表示：
[0114]
[0115]
式中：i
max
表示电感电流峰值；p表示传输功率；p
*
表示给定的传输功率值；hi表示 不等式约束，包含实现软开关的最小电流约束和对应工作模态的变量约束。
[0116]
其中，对于modei的优化调制通过如下公式实现：
[0117]
当m＜1/2:
[0118][0119]
当m＞1/2
[0120][0121]
对于modeii的优化调制通过如下公式实现：
[0122]
当m＜1/2：
[0123][0124]
当m＞1/2：
[0125][0126]
具体的，dab变换器的负载范围被分为四段，各段的优化调制方案通过如下公式表示：
[0127][0128][0129][0130][0131][0132][0133]
p
x3
＝2m(1-m)。
[0134]
在本发明中，通过拉格朗日乘数法和kkt条件能够有效计算优化工作模态的全局最优 解，进而能够更好的实现证dab变换器的调制，能够提升开关频率和功率密度，从而保证 dab变换器的转换效率和工作稳定性。
[0135]
为了更好的说明本发明中综合优化调制方法的优势，本实施例还做了相关实验，具体实 验结果如下：
[0136]
由图6(a)至(b)可以看出，本发明提出的综合优化调制方法(zvs-tps)和其他调制策略 的效率对比提高效率的效果更加明显。
[0137]
由图7给出的负载跳变可以看出，本发明提出的综合优化调制方法(zvs-tps)从小功 率跳变到大功率，或者大功率跳变到小功率都没有出现明显的过电压和过电流，同时切换在 一个周期内就完成了，可以做到无缝过渡。
[0138]
由图8(a)至(b)可以看出，本发明提出的综合优化调制方法(zvs-tps)相对fdm和sps， dab变换器的峰值电流水平能够得到大幅的减小。
[0139]
由图9(a)至(d)可以看出，本发明提出的综合优化调制方法(zvs-tps)在软开关层面比 fdm、sps和cso-tps都要宽(图中阴影区域表示全部开关管能实现软开关的区域)，能够 在减小导通损耗的前提下进一步消除了开关损耗。
[0140]
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发 明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式 上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范 围。同时，实施例中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。最后，本发明要求的 保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利 要求的内容。