一种带隔直或者谐振电容的DAB电路及其设计方法与流程

本发明涉及一种带隔直或者谐振电容的dab电路及其设计方法，属于电力电子。

背景技术：

1、传统双有源桥(dualactive bridge，dab)稳态分析不考虑隔直电容，因为在数学等效模型上，隔直电容是可以忽略的，对电路工作原理和稳态特性几乎不影响。但是在暂态过程中，例如负载突然加重，功率传输大范围切换，或者输出电压参考突变等瞬间，无隔直电容的dab存在高频变压器暂态磁偏置问题。在当前投运的实际工程中，很多高频变压器采用纳米晶铁芯，尤其是环形铁芯，励磁电感较大，抗饱和能力差，更容易发生饱和问题。隔直电容虽然只是解决暂态磁偏的方法之一，但是相对于其他方法，最为简单可靠，无需更改控制策略。对于较为复杂的系统，dab只是其中一个子环节，实际应用中并不希望控制过于复杂，以尽量避免增加控制的复杂程度和相互影响，进而影响整个系统的稳定性。所以在实际工程中，在综合权衡各种因素之后，有些还是会选择采用隔直电容这种形式。隔直电容本身会增加系统的体积和成本，因此在不影响原有电路工作方式的情况下，希望隔直电容越小越好。然而目前对隔直电容最小值设计方法多根据经验选取，尚无定量化的设计方法公开。

2、对于用于谐振功能的电容设计，传统方法多集中于完全谐振工作场景，电路工作于谐振点，因此谐振电容大小基本固定。然而对于移相控制的谐振型dab电路，谐振电容的一点点变化，可能会比较明显的影响控制效果。目前，针对谐振型dab电路谐振电容的设计多根据仿真结果而来，尚无明确的设计方法。

3、关于隔直电容最小值和谐振电容设计范围的定量化设计方法较少公开。专利[cn112968612a]公开了一种模块化高变比隔离型直流-直流变换器，串并联子模块拓扑结构中使用隔直电容，但是并未对隔直电容的设计方法进行论述。专利[cn112953230a]提供一种双有源桥电路的三重移相控制方法、控制装置，拓扑结构中也使用了隔直电容，也并未对隔直电容的设计方法进行论述。专利[cn112713780b]提供了一种双有源桥变换器不对称电压匹配移相控制方法，隔直电容同时也用于解决控制脉冲不匹配时的不对称问题，但是也并未对隔直电容的设计方法进行论述。专利[cn111817574a]公开了一种lcc谐振变换器参数设计的方法、系统及存储介质，但是针对的为非dab电路。专利[cn114665723a]公开了一种串联谐振型三相dab变换器谐振电感电容参数设计方法，从回流功率、变换器最大电流、以及变换器电流有效值三面出发，其主要设计的是谐振电感的参数，谐振电容根据指定的谐振频率直接计算而来，且并未考虑电感电容实际值与设计值的偏差，在指导软开关设计时不够直观和实用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种带隔直或者谐振电容的dab电路及其设计方法，解决了背景技术中披露的问题。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种带隔直或者谐振电容的dab电路，包括从左到右依次连接的dc/ac模块、lc单元、高频变压器以及ac/dc模块，所述dc/ac模块将输入的直流电转化为高频方波，经lc单元和高频变压器传输至ac/dc模块，ac/dc将高频方波变换为直流并输出，所述lc单元包括传输电感lr、隔直或者谐振电容cr。

4、进一步的，所述ac/dc模块和dc/ac模块采用两电平或者三电平或者其他多电平电路。

5、第二方面，本发明提供一种根据前述任一项所述的带隔直或者谐振电容的dab电路的设计方法，所述方法包括：

6、根据稳态谐振电流实时波形获得半周期内的电流转折点电流值，记为i2，根据功率平衡获得等效方波电流的幅值，记为i1，定义评价指标隔直谐振度δ＝i2/i1，当δ接近1时，交流回路电容作为隔直电容用，当δ接近0时，交流回路电容、作为谐振电容用；

7、分别计算交流回路电容作为隔直电容或者谐振电容时的取值范围；

8、根据计算获得的隔直电容或者谐振电容的取值范围，选择合适大小的隔直或者谐振电容作为电路中的隔直或者谐振电容cr，组成相应的隔直电容电路或者谐振电容电路。

9、进一步的，计算交流回路电容作为隔直电容时的取值范围的方法，包括：

10、设定额定功率下的外移相角，计算出额定功率下外移相角处的谐振周期与开关周期比值k和δ之间的关系；

11、根据上述关系，设定在额定功率下外移相角处的转折点电流最大偏差δ，计算获得所需要的最小隔直电容的取值大小。

12、进一步的，计算交流回路电容作为隔直电容时的取值范围的计算公式如下：

13、δ＝1-δ，又根据进一步计算求得谐振频率与开关频率比值k，式中为设定的外移相角；

14、又根据k＝tr/t，式中t为开关频率，tr为谐振频率，由于开关频率t和传输电感lr为已知的固定参数，计算求得隔直电容cr的取值大小。

15、进一步的，计算交流回路电容作为谐振电容时的取值范围的方法，包括：

16、设定额定功率时的外移相角与隔直谐振度δ的最大取值，计算出此时的谐振周期与开关周期比值，作为k的最大取值，再考虑器件参数的偏差，为保证谐振周期大于开关周期，k存在一个最小值，再考虑10％额定负载时，i2是否大于最小软开关电流，最终选择合适的k值，并计算出所需要的谐振电容的取值。

17、进一步的，计算交流回路电容作为谐振电容时的计算公式如下：

18、设定δ的上限值和额定功率下移相角值通过获取对应的第一k值，作为k值上限；

19、假定谐振电感lr和谐振电容cr存在偏差，为保证谐振周期大于开关周期，即

20、则

21、式中ε为电气参数误差引起的谐振周期偏差；

22、计算此时的第二k值作为k的取值下限；

23、在第二k值和第一k值阶段内，通过判断10％*δ*i1e是否满足功率器件的最小软开关电流，来调整k值，直至满足最小软开关电流，其中，i1e为额定负载时的i1；

24、根据最终选定的k值，通过k＝tr/t，式中t为开关频率，tr为谐振频率，由于开关频率t和传输电感lr为已知的固定参数，计算求得隔直电容cr的取值大小。

25、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

26、本发明提供一种带隔直或者谐振电容的dab电路及其设计方法，定义了一种评价指标隔直谐振度，用于指导谐振周期与开关周期的比值设计，当指导隔直电容设计时，选择较大的隔直谐振度，以保证隔直电容对电路原有特性影响最小。当指导谐振电容设计时，选择较小的隔直谐振度，以保证合适的软开关效果。其次根据最大移相角及其10％处，谐振周期与开关周期比值，和隔直谐振度之间的关系，计算出所需要的谐振周期与开关周期的比值大小或者比值参考范围，最终计算出所需要的最小隔直电容的大小，或者谐振电容的取值范围，据此设计的带隔直或者谐振电容的dab电路更为准确和实用。

技术特征：

1.一种带隔直或者谐振电容的dab电路，其特征在于，包括从左到右依次连接的dc/ac模块、lc单元、高频变压器以及ac/dc模块，所述dc/ac模块将输入的直流电转化为高频方波，经lc单元和高频变压器传输至ac/dc模块，ac/dc将高频方波变换为直流并输出，所述lc单元包括传输电感lr、隔直或者谐振电容cr。

2.根据权利要求1所述的带隔直或者谐振电容的dab电路，其特征在于，所述ac/dc模块和dc/ac模块采用两电平或者三电平或者其他多电平电路。

3.一种根据权利要求1-2任一项所述的带隔直或者谐振电容的dab电路的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

4.根据权利要求3所述的带隔直或者谐振电容的dab电路的设计方法，其特征在于，计算交流回路电容作为隔直电容时的取值范围的方法，包括：

5.根据权利要求4所述的带隔直或者谐振电容的dab电路的设计方法，其特征在于，计算交流回路电容作为隔直电容时的取值范围的计算公式如下：

6.根据权利要求3所述的带隔直或者谐振电容的dab电路的设计方法，其特征在于，计算交流回路电容作为谐振电容时的取值范围的方法，包括：

7.根据权利要求6所述的带隔直或者谐振电容的dab电路的设计方法，其特征在于，计算交流回路电容作为谐振电容时的计算公式如下：

技术总结
本发明公开了一种带隔直或者谐振电容的DAB电路及其设计方法，可以为交流回路中作为隔直作用或者谐振作用的电容大小的设计提供一定的依据；本发明首先定义了一种评价指标隔直谐振度，用于指导谐振周期与开关周期的比值设计，当指导隔直电容设计时，选择较大的隔直谐振度，以保证隔直电容对电路原有特性影响最小；当指导谐振电容设计时，选择较小的隔直谐振度，以降低开关损耗；其次根据最大移相角及其10％处，谐振周期与开关周期比值，和隔直谐振度之间的关系，计算出所需要的谐振周期与开关周期的比值大小或者比值参考范围，最终计算出所需要的隔直电容或谐振电容的大小。

技术研发人员：王志刚,王小红,侯凯,滕贤亮,梁帅奇,曾肖明,吴金利,王国宁,隗华荣,葛伟美
受保护的技术使用者：国电南瑞科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12