基于推挽DAB的矩阵式电力电子变压器及其应用方法与流程

本发明涉及电力电子变压器，具体涉及一种基于推挽dab(双有源桥)的矩阵式电力电子变压器。

背景技术：

1、电力电子变压器(sst)是一种新型电力电子设备，由电力电子变换器和高频磁链组成，旨在实现电压调整和电气隔离。与传统工频变压器相比，sst具有更高的功率密度、增强的可控性、电压调节、能量管理和环境友好性等优势。它在电力牵引系统、智能电网和可再生能源系统等领域具有广泛应用潜力，并能解决电能质量问题和控制管理复杂性等问题。sst拓扑结构方面，采用直接交流-交流(ac-ac)矩阵式sst，非常适用于中低压网连接的应用。该拓扑功率转换级数较少且无需直流侧能量存储元件，使其具有更高的转换效率、功率密度和可靠性。近年来，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(sic mosfet)技术的进步进一步推动了单级矩阵型sst(sm-sst)在中压场合中的应用。

2、在软开关隔离拓扑结构方面，sst常用的是双有源桥(dab)和串联谐振变换器(src)。dab具有简单结构和良好鲁棒性的优点，但相对src效率稍低，且软开关(zvs)受负载和输入电压影响。因此，对于dab拓扑，实现zvs以满足sm-sst应用要求至关重要。该技术进展具有重要的背景技术价值，尤其关键在于提高转换效率、功率密度和可靠性，解决电能质量问题，以及应用于电力牵引、智能电网和可再生能源领域。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于推挽dab的矩阵式电力电子变压器，本发明旨在提高系统功率密度和可靠性，实现所有开关的软开关，提高变换器的效率。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于推挽dab的矩阵式电力电子变压器，包括变压器t，所述变压器t的原边包括整流全桥开关s1～s4、高频开关s5和s6以及电容ci1和ci2，所述整流全桥开关s1～s4成原边全桥电路，所述电容ci1和ci2串联后再并联在原边全桥电路的输入端，所述高频开关s5和s6串联后与原边全桥电路的两个桥臂并联，所述变压器t的原边绕组一端与电容ci1和ci2之间中间接点相连、另一端与高频开关s5和s6之间中间接点相连；所述变压器t的副边包括推挽桥臂开关s7和s8、钳位电容cc、直流母线电容cdc以及整流全桥开关s9～s12，推挽桥臂开关s7、钳位电容cc和推挽桥臂开关s8串联后并联在副边的两条母线之间，且副边的两个副边绕组中每一个副边绕组均一端与一条母线相连、另一端通过推挽桥臂开关s7或s8与另一条母线相连，直流母线电容cdc以及整流全桥开关s9～s12构成的副边全桥电路并联在副边的两条母线之间，副边全桥电路的输出端构成基于推挽dab的矩阵式电力电子变压器的输出端。

4、可选地，所述电容ci1和ci2以及直流母线电容cdc均为薄膜电容。

5、可选地，所述原边全桥电路的正极输入端串联有输入电感li，所述基于推挽dab的矩阵式电力电子变压器的输出端并联有输出电容co。

6、可选地，所述基于推挽dab的矩阵式电力电子变压器的正极输出端串联有输出电感lo。

7、可选地，所述变压器t的原副边匝比为np:ns1:ns2＝1:n:n，其中np为原边绕组的匝数，ns1和ns2分别为两个副边绕组的匝数，n为指定的常数。

8、可选地，所述高频开关s5和s6以及推挽桥臂开关s7和s8的导通占空比均为0.5。

9、可选地，所述高频开关s5和s6两者的相角、推挽桥臂开关s7和s8两者的相角之间存在相移角度α以用于控制基于推挽dab的矩阵式电力电子变压器的输出功率和输出电压。

10、本发明还提供一种前述基于推挽dab的矩阵式电力电子变压器的应用方法，包括在功率正向流动工况下在半个工频开关周期内采用四个阶段的四个工作模态控制所述基于推挽dab的矩阵式电力电子变压器，所述四个阶段包括：

11、第一阶段，起始时刻为[t0,t1]：t0时刻，高频开关s5关闭，原边绕组的电流ip(t)为负值，使得高频开关s6的结电容完全放电，通过零电压开关zvs打开高频开关s6实现零电压开关zvs导通；

12、第二阶段，起始时刻为[t1,t2]：在高频开关s6零电压开关zvs导通后，第一个副边绕组的电流is1(t)的电流回路为vs1-cc-s7-lleak1，lleak1为第一个副边绕组的漏感，第二个副边绕组的电流is2(t)的电流回路为lleak2-vs2-s7-vdc2，lleak2为第二个副边绕组的漏感，第一个副边绕组的电压vs1和钳位电容cc的电压vcc之间的电压差共同作用于第一个副边绕组的漏感lleak1，导致is1(t)增加，而第二个副边绕组的电压vs2和直流母线电容cdc的电压vdc2之间的电压差共同作用于第二个副边绕组的漏感lleak2，导致第二个副边绕组的电流is2(t)减少；在这个过程中，第二个副边绕组的电流is2(t)恒为正值，第一个副边绕组的电流is1(t)为负值并逐渐减小，最终穿过零点并继续上升，第二个副边绕组的漏感lleak2中存储的能量被转移到电网侧和负载侧；当is1(t)<0时，第一个副边绕组的漏感lleak1中存储的能量被转移到电网侧，同时钳位电容cc被充电当is1(t)>0时，钳位电容cc中存储的能量给漏感lleak1充电，这种状态持续到推挽桥臂开关s7关闭，第一个副边绕组的漏感lleak1和第二个副边绕组的漏感lleak2的电感大小为：

13、

14、第三阶段，起始时刻为[t2,t3]：如果在该阶段结束前原边绕组的电流ip(t)>0，则副边电流is1(t)>is2(t)，使得推挽桥臂开关s8的结电容放电，使得高频开关s8实现零电压开关zvs导通；

15、第四阶段，起始时刻为[t3,t4]：在t3时刻，使用零电压开关zvs打开推挽桥臂开关s8，第一个副边绕组的电流is1(t)的电流回路为vs1-lleak1-vdc2-s8，第二个副边绕组的电流is2(t)的电流回路为vs2-cc-s8-lleak2，第一个副边绕组的电压vs1和钳位电容cc的电压vcc之间的电压差共同作用于第一个副边绕组的漏感lleak1，导致第一个副边绕组的电流is1(t)增加，而第二个副边绕组的电压vs2和直流母线电容cdc的电压vdc2之间的电压差共同作用于第二个副边绕组的漏感lleak2，导致第二个副边绕组的电流is2(t)减少；在这个过程中，第一个副边绕组的电流is1(t)恒为正值，第二个副边绕组的电流is2(t)由正值开始减小，穿过零点并继续减小；电网侧存储的能量向第一个副边绕组的漏感lleak1充电，当第二个副边绕组的电流is2(t)>0时，钳位电容cc中存储的能量向电网侧充电，当第二个副边绕组的电流is2(t)<0时，来自电网侧的能量向第二个副边绕组的漏感lleak2和钳位电容cc充电，这种状态持续到高频s6关闭，第一个副边绕组的漏感lleak1和第二个副边绕组的漏感lleak2的电感大小为：

16、

17、可选地，原边绕组的电流ip(t)在起始时刻为[t2,t3]的第三阶段内为正值，且在起始时刻为[t2,t3]的第三阶段内第一个副边绕组的电流is1(t)的幅值大于第二个副边绕组的电流is2(t)的幅值以使得开关寄生电容完全放电。

18、可选地，所述四个阶段中开关节点的电流约束的函数表达式为：

19、

20、

21、上式中，ip(t0)为第一个阶段起始时刻t0的原边绕组的电流，ip(t2)为第三阶段起始时刻t2的原边绕组的电流，dα为调制变量，所述高频开关s5和s6两者的相角、推挽桥臂开关s7和s8两者的相角之间存在相移角度α＝dαts，ts为高频开关s5和s6以及推挽桥臂开关s7和s8的开关周期的一半，k为满足k≥1的电压传输比，fs为高频开关s5和s6以及推挽桥臂开关s7和s8的开关频率，coss为开关寄生电容容值，tdead为死区时间，lleak为漏感lleak1和lleak2的感值。

22、和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明提出一种基于推挽dab的单级矩阵式电力电子变压器(sm-sst)，该方案旨在解决电力转换器中开关损耗过多和软开关的问题。本发明通过工频整流器和双有源桥组合，以及改进的推挽拓扑结构器作为变压器的原副边结构，推挽dab能回收漏感能量，解决了硬开关和电压尖峰问题，该拓扑结构具有减少开关数量、降低导通损耗、提高可靠性和功率密度的优势，同时消除二次功率脉动，能实现矩阵变换器所有开关的软开关，提高传输效率。采用简单可靠的控制，通过单相移控制实现主动功率和输出调节，实现功率因数校正，无需电流控制环，调制策略只有一个变量，可靠且更加简单地控制变换器的功率传输。该技术方案解决电力电子变压器效率较低的问题，使能量转换更高效、电力输出更稳定。