一种结合分区变频与扩展移相控制的双有源桥变换器全负载范围软开关实现方法与流程

本技术涉及计算机，具体是一种结合分区变频与扩展移相控制的双有源桥变换器全负载范围软开关实现方法。

背景技术：

1、双有源桥变换器(dual active bridge，dab)凭借其具有高功率密度、电气隔离、双向能量流动等优点，已经被广泛应用在电动汽车、直流微网、光伏发电以及储能系统等领域。

2、开关管零电压开通(zero voltage switching，zvs)能极大的减小开关损耗，提高dab运行效率。此外，zvs能降低电压变化率dv/dt，有助于提高dab电磁兼容能力。因此zvs应被优先保证，尤其是在宽禁带器件更高的开关频率导致更大的开关损耗的情况下。

3、dab的基本控制方法为单移相(single phase shift，sps)、扩展移相(extendedphase shift，eps)、三重移相(triplephase shift，tps)等移相控制方法，采用不同的移相控制方法具有不同的zvs范围。单相移调制是dab变换器中最易实现的控制方法，但是，当输入输出电压不匹配时，会造成无法实现zvs、产生较大的环流等问题，从而导致效率降低。扩展移相和三重移相调制方法通过增加桥臂内移相，以扩展zvs范围和提升变换器宽范围运行能力。更多的控制自由度意味着额外的优化目标，现有研究已经提出一些通用的优化方案，包括最小电流应力、最小回流功率、最大zvs范围等。由于更灵活的控制，tps可做到三自由度的全局优化，因此tps通常具有比eps更宽的zvs范围。然而，与tps相比，eps控制具有更少的运行模式、更低的优化复杂度，已经被广泛应用到dab变换器控制中。

4、现有研究侧重于通过电感电流的极性来评判是否实现了zvs，由于忽略了开关管结电容对zvs的影响，导致zvs范围分析不准确。当考虑开关管结电容时，zvs范围将被划分为两个不相连的部分，分别位于轻载与重载区域，这意味着总是存在某个负载区域无法实现zvs。此外，两个不相交的zvs区域使得dab变换器难以实现无缝切换。因此，当考虑结电容时，在不牺牲系统效率的前提下，eps与tps都不能实现全负载范围zvs。

5、能实现全负载范围软开关技术可分为两种技术方案：硬件方案与软件方案。在硬件方案这方面，包括修改桥拓扑结构、利用可变电感、添加隔直电容或改变变压器励磁电感等方法已经被提出以实现全负载范围的zvs。但是，这些方法依赖于附加元件或复杂的参数设计，增加了额外硬件成本并使拓扑结构复杂化。

6、相比之下，软件方案不依赖任何额外的元件，仅通过修改软件算法就能达到全负载范围软开关的目的。变频调制(variable frequency modulation，vfm)被引入作为另一个控制自由度以扩展zvs范围。现有研究已经提出了结合vfm和sps的控制策略，但在轻载情况下，所有结合sps和vfm的控制方法都是通过推高开关频率来实现zvs的，而过高的开关急剧地增加导通损耗和开关损耗，因而开关频率需被严格地限制，从而导致轻载情况下丧失zvs。另一方面，eps控制在实现轻载zvs方面表现出优异的性能，vfm和eps混合控制方法有潜力实现全负载范围zvs目前还没有讨论，此外，为进一步提高运行效率与动态性能，还需要进一步研究优化控制方法和运行模式切换。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种结合分区变频与扩展移相控制的双有源桥变换器全负载范围软开关实现方法，在扩展移相控制的基础上，提出了一种分区变频技术，在重载时提高开关频率，在轻载时降低开关频率。分区变频技术扩展了eps的两个不相连zvs区域，使之朝向彼此移动，并最终连接一整块zvs区域，实现了所有开关管全负载范围zvs，以提高变换器效率。

2、为实现上述目的，本技术公开了以下技术方案：

3、在第一方面，本技术公开了一种结合分区变频与扩展移相控制的双有源桥变换器全负载范围软开关实现方法，该方法包括以下步骤：

4、分析扩展移相控制下的运行模态；

5、考虑非线性结电容的影响，分析扩展移相控制下各运行模式下原副边开关管软开关实现条件，计算各运行模式下开关管临界软开关电流，得出变换器软开关范围；

6、得出扩展移相控制下双有源桥变换器在不同频率工况下的软开关范围；

7、结合分区变频与扩展移相控制，提供实现全负载范围软开关方法。

8、作为优选，所述双有源桥变换器双有源桥变换器包括直流电源v1、电感l、高频变压器t1、原边h桥、副边h桥和直流电源v2，其中，所述高频变压器t1的匝比为n：1，所述原边h桥包括开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4，所述副边h桥包括开关管s5、开关管s6、开关管s7和开关管s8，所述开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、开关管s5、开关管s6、开关管s7和开关管s8分别对应设置有输出电容cs1、输出电容cs2、输出电容cs3、输出电容cs4、输出电容cs5、输出电容cs6、输出电容cs7和输出电容cs8。

9、作为优选，在所述的分析扩展移相控制下的运行模态中，所述运行模态包括模式a与模式b；其中，模式a与模式b通过两个控制自由度的大小关系划分得到，两个所述控制自由度分别为所述开关管s1与所述开关管s4之间内移相比、所述原副边h桥之间外移相比。

10、作为优选，在所述的得出不同频率下双有源桥变换器的软开关范围，软开关区域根据负载轻重程度分成两个分离的部分，其中，重载部分属于模式a，轻载部分属于模式b，两个分离的软开关区域之间存在硬开关区域。

11、作为优选，在所述的得出不同频率下双有源桥变换器的软开关范围，不同频率下扩展移相控制下双有源桥变换器具有不同的软开关范围，其中，增加开关频率使模式a的软开关范围扩展且使模式b的软开关范围缩小，并使硬开关区域向轻载方向移动；相反地，降低开关频率使硬开关区向重载方向移动。

12、作为优选，所述的提供实现全负载范围软开关方法，具体包括：采用在模式a增加频率，在模式b保持频率不变；在模式a保持频率不变，在模式b降低开关频率；在模式a增加开关频率，模式b降低开关频率。

13、作为优选，通过开关管s1与所述开关管s4之间内移相比、、原副边h桥之间外移相比、开关频率三个控制自由度进行功率调节，并设计三个控制自由度优化控制律。

14、作为优选，所述的三个控制自由度优化控制律，包括：最小电流应力优化、最小均方根电流优化、最大软开关范围优化、最小环流功率优化。

15、有益效果：

16、1、本发明的实现方法，不依赖于任何额外的元件或电路，仅仅通过修改软件算法就能实现，具有实现简单、节省成本的特点；

17、2、本发明的实现方法，能实现了全负载范围所有开关管软开关，增强了变换器电磁兼容能力，减小了开关管开关损耗；

18、3、本发明的实现方法，将分区变频与扩展移相控制相结合，使得控制具有三个自由度，可得出更加灵活得三自由度优化控制策略，以提高变换器效率。