一种基于梯形波的三电平DCDC变换器软开关控制方法

本发明属于电力电子，特别是涉及一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法。

背景技术：

1、在如今直流微电网与储能系统的大量需求下，大功率的dc-dc变换器成为各领域研究的热点，在光伏发电、燃料电池等领域，需要大量应用大功率dc-dc变换器。与传统的两电平变换器相比较，三电平变换器具有开关管电压应力小，开关损耗低，输出电压谐波小等优点，更适合输入电压较高，功率较大的场合。

2、在三电平拓扑中，开关应力仅为输入电压的一半，且能输出三种电平，因此电压和电流的纹波更小，因此输出电感和滤波电容的值更小，可以有效降低元件的尺寸和成本，基于以上优点，三电平拓扑得到广泛的关注和研究。

3、但是多电平电路工作在连续导通模式下属于硬开关操作，开关损耗大，且具有严重的电磁干扰，为了解决这个问题也有一些相关软开关拓扑的提出，但辅助电路都较为繁杂，不适用于大功率场合。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，通过变开关频率控制，可以应对不同的负载大小，且拓扑简单，有效地解决了辅助电路复杂的问题，采用梯形波而非传统三角波减小了电感电流峰值和纹波。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，用于三电平dc-dc变换器，所述三电平dc-dc转换器包括4个功率开关管，每个开关对应一个开关状态与其相反的互补开关，主开关使用交替占空比进行控制；

3、基于梯形波的三电平dc-dc变换器软开关控制方法，包括步骤：

4、步骤1：对输出电压、输入电压和电感平均电流进行采样，构成采样数据；

5、步骤2：利用采样数据，计算占空比d以及开关频率；

6、步骤3：采用交替占空比控制输出，并实现电容电压的均衡；

7、步骤4：通过变开关频率控制，使变换器在不同负载下工作在近似临界导通模式下；

8、步骤5：调制产生三模态电平2-1-0时序，产生基于近似临界导通模式的梯形波，实现所有功率开关管的零电压软开关。

9、进一步的是，所述三电平dc-dc变换器中功率开关管上需并联设置电容或利用开关管寄生电容实现谐振过程。

10、进一步的是，所述开关频率由电感平均电流、输入电压和输出电压计算得到，推导出开关频率与电感电流平均值的关系式，最终完成变开关频率控制。

11、进一步的是，通过建立开关频率与占空比、输入电压、输出电压、电感值、电感电流平均值等不同变量之间的关系，获得占空比的优化值，使得电感电流峰值以及有效值降低，从而减小开关器件的导通损耗和关断损耗。

12、进一步的是，在步骤3中，通过对两个主开关管进行交替调制，实现电容电压的均衡，实现恒压控制。

13、进一步的是，通过调节两个主开关管的占空比之和，即调节占空比d来调节输出电压或者输出电流。

14、进一步的是，在步骤4中，电路工作在近似临界导通模式，支撑后续零电压软开关，通过反向电感电流来维持近似临界导通模式。

15、进一步的是，通过调节主功率开关管的开关频率和占空比之差，将变换器的电感电流控制在近似临界导通模式，包括步骤：

16、步骤41，根据三电平dc-dc电路，采样电感电流以及输入电压和输出电压，计算基于梯形波的近似临界导通模式所需的开关频率和占空比之差，使得变换器的电感电流在每个开关周期都有正负值；

17、步骤42，在电感电流为正时，谐振作用和二极管续流作用使下桥臂开关管的寄生电容放电为零，从而实现零电压开通；电感电流为负时，谐振作用和二极管续流作用使上桥臂开关管的寄生电容放电，实现零电压开通。

18、进一步的是，基于梯形波的近似临界导通模式，电感电流在每个开关周期具有正负值，两个组开关在电感电流为负时一起开通，但关断交替进行，从而实现梯形波模式的调制，并实现所有开关器件的零电压软开关。

19、进一步的是，在步骤5中，通过三电平拓扑电路产生2-1-0三种模态的电平输出，电感电流波形近似为梯形波。

20、采用本技术方案的有益效果：

21、本发明利用近似临界导通模式，通过寄生电容或者外加电容和电路中电感元件构成谐振回路而不需要额外无源元件来实现零电压软开关，应用在三电平dc-dc变换器拓扑结构。其优势在于所需元件少，电路结构简单，且体积更小。在临界导通模式下，利用其反向电流实现功率开关管的零电压开关。

22、本发明还提出一种梯形电感电流，相比于三角形电感电流，在同一平均值下，梯形波的具有更低的电流峰值和有效值，可以更好地减少损耗。

23、本发明所提出的一种基于梯形波的三电平dc-dc变换器的控制方法，通过控制开关频率保持反向电流使电路维持在临界导通模式，进而实现所有功率开关管的软起动，可以显著减小开关损耗，提高变换器的效率，且适应各种负载电流和输出电压。

技术特征：

1.一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，其特征在于，用于三电平dc-dc变换器，所述三电平dc-dc转换器包括4个功率开关管，每个开关对应一个开关状态与其相反的互补开关，主开关使用交替占空比进行控制；

2.根据权利要求1所述的一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，其特征在于，所述三电平dc-dc变换器中功率开关管上需并联设置电容或利用开关管寄生电容实现谐振过程。

3.根据权利要求1所述的一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，其特征在于，所述开关频率由电感平均电流、输入电压和输出电压计算得到，推导出开关频率与电感电流平均值的关系式，最终完成变开关频率控制。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，其特征在于，通过建立开关频率与占空比、输入电压、输出电压、电感值、电感电流平均值等不同变量之间的关系，获得占空比的优化值，使得电感电流峰值以及有效值降低，从而减小开关器件的导通损耗和关断损耗。

5.根据权利要求1所述的一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，其特征在于，在步骤3中，通过对两个主开关管进行交替调制，实现电容电压的均衡，实现恒压控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，其特征在于，通过调节两个主开关管的占空比之和，即调节占空比d来调节输出电压或者输出电流。

7.根据权利要求1所述的一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，其特征在于，在步骤4中，电路工作在近似临界导通模式，支撑后续零电压软开关，通过反向电感电流来维持近似临界导通模式。

8.根据权利要求1或7所述的一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，其特征在于，通过调节主功率开关管的开关频率和占空比之差，将变换器的电感电流控制在近似临界导通模式，包括步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，其特征在于，基于梯形波的近似临界导通模式，电感电流在每个开关周期具有正负值，两个组开关在电感电流为负时一起开通，但关断交替进行，从而实现梯形波模式的调制，并实现所有开关器件的零电压软开关。

10.根据权利要求1所述的一种基于梯形波的三电平dcdc变换器软开关控制方法，其特征在于，在步骤5中，通过三电平拓扑电路产生2-1-0三种模态的电平输出，电感电流波形近似为梯形波。

技术总结
本发明公开一种基于梯形波的三电平DCDC变换器软开关控制方法，用于三电平DC‑DC变换器，每个开关对应一个开关状态与其相反的互补开关，主开关使用交替占空比进行控制；包括步骤：对输出电压、输入电压和电感平均电流进行采样，构成采样数据；利用采样数据，计算占空比D以及开关频率；采用交替占空比控制输出，并实现电容电压的均衡；通过变开关频率控制，使变换器在不同负载下工作在近似临界导通模式下；调制产生三模态电平2‑1‑0时序，产生基于近似临界导通模式的梯形波，实现所有功率开关管的零电压软开关。本发明解决了传统软开关变换器辅助电路复杂和三角波临界模式的峰值电流较大的问题，使得变换器工作在梯形波实现软开关的同时减小电感电流峰值。

技术研发人员：姚志刚,兰浩刚,赫新宇,陈维荣
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16