一种漏感可控磁集成双有源桥dc-dc变换器及控制方法与流程

本发明涉及电力电子，尤其涉及一种漏感可控磁集成双有源桥dc-dc变换器及控制方法。

背景技术：

1、为了实现国家提出的“碳达峰”和“碳中和”目标，以太阳能、风能为代表的多种可再生能源和以电动汽车、制氢为代表的新能源行业成为关注焦点。储能装置因其可以有效地实现需求侧管理、消除峰谷差、平滑负荷及可作为备用能源促进可再生能源的利用等优点被广泛应用于上述几种电能系统，而双有源桥dc-dc变换器作为直流母线与储能装置之间实现能量双向流动的桥梁，其宽电压增益范围、软开关实现、运行效率、电流纹波等问题一直以来是国内外学者的研究热点。在储能单元进行充放电的能量调控过程中，变换器的电流纹波不利于电池的使用寿命，这就要求变换器具有低电流纹波或者零电流纹波。

2、常用典型的电流型双有源桥dc-dc变换器，具有多个磁性元件(两个直流电感，一个高频变压器和一个漏感)，因此增加了变换器的体积和相应的磁性元件损耗。在实现较大软开关范围的前提下，针对宽输入电压范围场合下的电流型双有源桥dc-dc变换器磁性元件数量多，功率密度不高等问题，在ieee transaction on power electronics【电力电子期刊】于2020年发表的“a current-fed dual-active bridge dc–dc converter usingextended duty cycle control and magnetic-integrated inductors with optimizedvoltage mismatching control”提出一种基于耦合电感的方法。文中，低压侧两个升压电感被集成为耦合电感，使用单个磁芯代替了两个电感的结构在一定程度上提高了变换器磁性元件的集成度。为了进一步减少变换器的磁性元件数量，在ieee transaction onindustrial electronics【电力电子期刊】于2020年发表的“three winding coupledinductor-based dual active bridge dc-dc converter with full load range zvsunder wide voltage range”提出一种基于三绕组耦合电感的方法。文中利用解耦集成的方法将两个直流电感和一个高频隔离变压器集成在单个三绕组的ei磁芯中，显著提高了变换器的功率密度。然而应该说明的是，在双有源桥dc-dc变换器中漏感作为影响功率传输以及功率管软开关实现的重要元器件，目前在电流型双有源桥dc-dc变换器中关于可控漏感集成变压器的研究仍很少。

3、此外，此类变换器具有三个控制变量，包括低压侧全桥电路的主功率管的占空比d，高压侧全桥电路两个对角功率管驱动信号的移相角φ1，以及低压侧主功率管和高压侧超前桥臂上管驱动信号的移相角φ2。通过控制占空比d的大小可以调节低压侧全桥两个桥臂中心点之间的电压vab脉宽；通过控制移相角φ1的大小可以调节高压侧全桥两个桥臂中心点之间的电压vcd脉宽；通过调节移相角φ2可以实现低压侧电压vab和高压侧电压vcd之间相位差的控制。目前针对双有源桥dc-dc变换器控制方法常用的移相加pwm控制策略可以分为两个控制自由度的控制策略和三个控制自由度的控制策略。以上控制方法均是以使用更多的控制自由度获取变换器性能的提高，一方面使得变换器的调制变得更加复杂，使控制器实现更加困难；另一方面，由于pwm调制策略，低压侧两个桥臂中心点电压vab存在零电压点，导致大小相等，方向相反的两个电感绕组的电流存在相位差，两个电感绕组电流在输入侧不能完全对消而不能实现变换器零输入电流纹波。可见，现有的双有源桥dc-dc变换器存在运行效率低、可靠性差的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种漏感可控磁集成双有源桥dc-dc变换器及控制方法，以解决现有的双有源桥dc-dc变换器存在运行效率低、可靠性差的问题。

2、为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种漏感可控磁集成双有源桥dc-dc变换器，包括：主电路和控制电路；

4、主电路包括低压侧桥臂、钳位电容、两个高频变压器以及高压侧桥臂、高压侧输出电容构成；

5、低压侧桥臂用于将输入电压幅值进行增益倍增和电压波形的高频逆变；

6、钳位电容(cc)上的钳位电压用以实现与高压输出侧电压匹配；

7、两个高频变压器具有可控的激磁电感和漏感，通过磁芯与绕组结构的优化设计，使用4个ui磁芯代替了电流型双有源桥dc-dc变换器中两个直流电感、一个高频变压器和一个外部串联漏感，因此具有低输入电流纹波的优势，同时又可实现电气隔离以及增益调整；高压侧用于对变压器交流电压的波形整形，实现额定电压输出；所述的低压侧为由开关管(q1a、q2a、q1、q2)和钳位电容(cc)组成的桥式电路，高压侧为开关管(s1、s2、s3、s4)和输出电容(c)组成的全桥电路；

8、在所述零纹波的漏感可控磁集成双有源桥dc-dc变换器的低压侧，输入电压的正极同时与两个激磁电感连接于e点，输入电压的负极同时与开关器件q2的源极和钳位电容cc的一端相连，开关管q1的漏极与开关管q1a的源极相连，并且源极与开关管q2的源极相连，开关管q2的漏极与开关管q2a的源极相连，并且与激磁电感l2连接于b点，开关管q1a的漏极与钳位电容cc的另一端和q2a的漏极相连，并且与激磁电感l1连接于a点，激磁电感l1与高频变压器tr1的原边绕组并联于a、e点，激磁电感l2与高频变压器tr2的原边绕组并联于b、e点，高频变压器tr1的副边绕组连接漏感lrs1，高频变压器tr2的副边绕组连接漏感lrs2，漏感lrs1同时连接开关管s1的源极和开关管s3的漏极于c点，漏感lrs2同时连接开关管s2的源极和开关管s4的漏极于d点，开关管s1的漏极与开关管s2的漏极和输出电容c的正极相连，并且连接至输出电压的正极，开关管s3的源极与开关管s4的源极和输出电容c的负极相连，并且连接至输出电压的负极；

9、可选的，控制电路主要由控制器和驱动电路构成；控制器是以dsp控制为核心，用于对由传感器采样得到的电压采样和电流采样信号进行转换，低压侧桥臂开关管的占空比d固定为50％，两个激磁电感的电流大小相等方向相反，电流在相位上不存在相位差，因而在输入侧可相互抵消以实现输入电流零纹波；依据控制方法得到移相角控制信号φ，产生pwm驱动信号，用于调节实际电路的低压侧桥臂与高压侧桥臂之间的移相角φ，保证电压匹配以及减小无功损耗和漏感电流有效值，降低电路通态损耗和环流损耗，驱动电路用于接收来自控制器的pwm信号，经过隔离和电压、电流增强后为主电路的开关管(q1a、q2a、q1、q2、s1、s2、s3、s4)提供驱动电压。

10、可选的，变换器为双向功率流，低压侧与高压侧可以互换。

11、第二方面，本技术实施例提供一种漏感可控磁集成双有源桥dc-dc变换器控制方法，包括：

12、步骤一、给定变换器输出侧直流输出电压vref；对变换器的钳位电容电压进行采样，记为vcc，并对输出侧的有源桥直流电压进行采样，记为vh；

13、步骤二、根据电压闭环控制得到信号φ；计算直流输出电压给定值vref与输出侧的实际电压vh的差值，所述的差值作为电压调节器的输入，所述电压调节器的输出作为vab和vcd之间的移向角控制信号φ；

14、其中，vab为两个高频变压器串联输入侧绕组的电压之和；vcd为两个高频变压器串联输出侧绕组的电压；

15、步骤三、固定低压侧开关管的占空比控制信号d＝0.5；根据公式(1)，输入电压倍压至钳位电压，

16、

17、其中vl为输入电压，vcc为钳位电容电压；

18、占空比控制严格保证钳位电压电压与输出电压的电压匹配，因此钳位电容电压与输出电压之间的关系如公式(2)所示；

19、

20、其中，np，ns分别为两个高频变压器的原边绕组匝数和副边绕组匝数；

21、步骤四、根据步骤二所得的移相角控制信号φ和步骤三所得的低压侧开关管的占空比控制信号d，产生开关管的驱动信号，从而控制变换器的钳位电压和变压器副边电压与移相角，从而实现高电压增益下的输入电流零纹波，以及减小无功损耗和漏感电流有效值，降低电流造成的电路通态损耗和环流损耗。

22、可选的，所述步骤四包括：步骤四中产生通过移相角控制信号φ与低压侧开关管的占空比控制信号d控制各个驱动信号波形的关系如下：

23、a)q1a和q1互补、q2a和q2互补、s1与s2互补、s3和s4互补；

24、b)s1、s2、s3和s4开关管占空比都为50％；

25、c)q2与s1之间的相位差由φ控制；

26、d)q1与q2的占空比d都为50％。

27、有益效果：

28、本发明提供的漏感可控磁集成双有源桥dc-dc变换器，其主电路主要由低压侧桥臂、两个高频变压器以及高压侧桥臂构成，通过4个ui磁芯绕组匝数和气隙长度的合理优化设计，实现激磁电感和漏感可控集成，减小了变换器体积和相应的磁性元件损耗，提高了功率密度；通过对低压侧桥臂采用固定占空比为50％的脉宽调制控制方式控制开关管驱动信号，同时，两个变压器串联输入侧和输出侧之间采用移相控制，以控制功率流动的方向和大小，通过所公布的功率控制方法，保证变换器工作在输入电流零纹波条件下，同时，变换器的无功电流减小，从而减小了环流损耗，提高效率。

29、值得说明的是，通过本发明提供的零纹波漏感可控磁集成双有源桥dc-dc变换器及其功率控制方法，能实现占空比控制环路与移相控制环路和解耦，所述方法不需要将控制数据预先存储在查表中，能够实现实时控制，简化了控制环路，提高系统的快速性和可靠性。