一种基于DAB电路的全功率范围软开关控制方法及系统

一种基于dab电路的全功率范围软开关控制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于dab电路的全功率范围软开关控制方法及系统。


背景技术：

2.随着电力电子技术的发展以及新能源发电的兴起，电力系统发生了深刻的变革。相比于交流输电，直流输配电技术的线路损耗小，分布式电源接入方便，调度灵活，因而得到了空前的发展，大容量直流变压器作为直流输配电系统中的核心设备，主要实现系统电磁隔离和电压等级变压等核心功能。相比于传统的工频隔离变压器，其体积更小，功率密度更高。但由于大容量开关器件的引入，开关器件的损耗占比很高。
3.为了提高直流变压器的效率，可采用并联电容实现开关器件的软关断技术。该技术在dab（dual active bridge，双主动桥）电路处于额定负载下能够有效降低开关器件的关断损耗，配合其软开通特性，能够大幅度降低开关器件的损耗，提高系统效率。但当装置工作在轻载下时，由于死区的影响，此时器件丢失零电压开通特性，并联电容直接对开关器件放电，产生较大的脉冲电流。且现有小容值电容的峰值电流较小，器件开通时对电流上升率也有一定要求，因此该脉冲电流会降低开关器件以及电容器的寿命，使得dab无法在轻载以及空载下安全运行。采用在辅助电感上串联电容的方案，可实现在电压不匹配的情况下扩大软开关范围，但是其仍然无法彻底解决空载运行下的零电压开通丢失现象。因此现有技术无法实现dab并联软关断电容后的功率连续性调节。


技术实现要素：

4.针对上述问题，发明人做出本发明，通过具体实施方式，提供一种基于dab电路的全功率范围软开关控制方法及系统。
5.第一方面，本发明实施例提供一种基于dab电路的全功率范围软开关控制方法，包括：当dab电路的实际传输功率小于预设的模式切换功率时，采用外移相角不小于90度且不超过180度的移相控制策略使dab电路的开关管零电压开通，其中，当外移相角大于90度时，将无功功率注入dab电路，使开关管的关断电流增加，缓冲电容在死区时间内充放电完成，开关管处于软开关状态；当所述dab电路的实际传输功率不小于预设的模式切换功率时，采用单移相控制策略使所述dab电路的开关管零电压开通，由于关断时有缓冲电容，为准软关断，所述开关管处于软开关状态。
6.具体的，所述移相控制策略包括单移相控制、双移相控制、三移相控制中的任意一种。
7.具体的，构建所述dab电路，包括以下步骤：所述dab电路包括原边全桥、副边全桥和一个高频隔离变压器，所述原边全桥和所
述副边全桥分别与所述高频隔离变压器连接；所述原边全桥包括4个开关管t1、t2、t3和t4、一个直流支撑电容cp和一个辅助电抗l1，将t1和t2串联，将t3和t4串联，将t1集电极的一端、t3集电极的一端和cp正极的一端连接，将t2发射极的一端、t4发射极的一端和cp负极的一端连接，l1的一端与t1和t2之间的连线连接，l1的另一端连接至所述高频隔离变压器原边的一端，所述高频隔离变压器原边的另一端连接至t3和t4之间的连线上；所述副边全桥包括4个开关管t5、t6、t7和t8、一个直流支撑电容cs，将t5和t6串联，将t7和t8串联，将t5集电极的一端、t7集电极的一端和cs正极的一端连接，将t6发射极的一端、t8发射极的一端和cs负极的一端连接，所述高频隔离变压器副边的一端连接至t5和t6之间的连线上，所述高频隔离变压器副边的另一端连接至t7和t8之间的连线上；所述原边全桥和所述副边全桥中的每个所述开关管分别对应一个二极管和一个关断缓冲电容，将每个所述开关管的集电极分别连接至所述对应二极管的阴极和所述对应关断缓冲电容的正极，将每个所述开关管的发射极分别连接至所述对应二极管的阳极和所述对应关断缓冲电容的负极。
8.进一步，当采用双移相注入无功功率时，当所述开关管处于软关断状态后，逐渐降低所述无功功率，直到所述开关管不处于软关断状态，记录此时的无功功率，得到双移相软关断最小无功功率。
9.具体的，确定所述模式切换功率，包括以下步骤：根据所述dab电路的实际传输功率，确定工作模式；根据所述dab电路中的电容大小、直流电压大小、死区时间和移相电感，确定所述模式切换功率。
10.具体的，还包括以下步骤：当所述模式切换时，对切换时的偏置电流进行控制，消除所述偏置电流。
11.具体的，对切换时的偏置电流进行控制，消除所述偏置电流，包括以下步骤：通过控制模式切换后所有开关管第一个周期的导通占空比，消除模式切换时的偏置电流。
12.具体的，通过控制模式切换后所有开关管第一个周期的导通占空比，消除模式切换时的偏置电流，包括以下步骤：当正向轻载切重载或负向轻载切重载时，延长v1的低电平时间，在辅助电感的电流第一次过零后，控制其两端的电压差维持时间与重载时电流过零后相同，偏置电流消除；当正向重载切轻载或负向重载切轻载时，保持v1、v2为负，在辅助电感的电流第一次过零后，控制其两端的电压差维持时间与轻载时电流过零后相同，偏置电流消除；当能量传递方向改变时，将超前桥臂与滞后桥臂的驱动信号对调，只保留对调后第一个周期所在的后半周期的驱动信号，偏置电流消除；其中，所述正向指原边侧向副边侧传递能量的方向，所述负向指副边侧向原边侧传递能量的方向，v1为原边侧输出电压，v2为副边侧输出电压，以t1导通为周期开始信号。
13.第二方面，本发明实施例提供一种基于dab电路的全功率范围软开关控制系统，包括：dab电路构建模块，用于构建所述dab电路，所述dab电路包括原边全桥、副边全桥
和一个高频隔离变压器，所述原边全桥和所述副边全桥分别与所述高频隔离变压器连接；所述原边全桥包括4个开关管t1、t2、t3和t4、一个直流支撑电容cp和一个辅助电抗l1，将t1和t2串联，将t3和t4串联，将t1集电极的一端、t3集电极的一端和cp正极的一端连接，将t2发射极的一端、t4发射极的一端和cp负极的一端连接，l1的一端与t1和t2之间的连线连接，l1的另一端连接至所述高频隔离变压器原边的一端，所述高频隔离变压器原边的另一端连接至t3和t4之间的连线上；所述副边全桥包括4个开关管t5、t6、t7和t8、一个直流支撑电容cs，将t5和t6串联，将t7和t8串联，将t5集电极的一端、t7集电极的一端和cs正极的一端连接，将t6发射极的一端、t8发射极的一端和cs负极的一端连接，所述高频隔离变压器副边的一端连接至t5和t6之间的连线上，所述高频隔离变压器副边的另一端连接至t7和t8之间的连线上；所述原边全桥和所述副边全桥中的每个所述开关管分别对应一个二极管和一个关断缓冲电容，将每个所述开关管的集电极分别连接至所述对应二极管的阴极和所述对应关断缓冲电容的正极，将每个所述开关管的发射极分别连接至所述对应二极管的阳极和所述对应关断缓冲电容的负极；模式切换功率确定模块，用于根据所述dab电路的实际传输功率，确定工作模式；根据所述dab电路中的电容大小、直流电压大小、死区时间和移相电感，确定所述模式切换功率；第一软关断控制模块，用于当所述dab电路的实际传输功率小于预设的模式切换功率时，采用外移相角不小于90度且不超过180度的移相控制策略使dab电路的开关管零电压开通，其中，当外移相角大于90度时，将无功功率注入dab电路，使开关管的关断电流增加，缓冲电容在死区时间内充放电完成，开关管处于软开关状态；第二软关断控制模块，用于当所述dab电路的实际传输功率不小于预设的模式切换功率时，采用单移相控制策略使所述dab电路的开关管零电压开通，所述开关管处于软开关状态。
14.具体的，所述移相控制策略包括单移相控制、双移相控制、三移相控制中的任意一种。
15.进一步，一种基于dab电路的全功率范围软开关控制系统还包括：最小无功功率确定模块，用于当采用双移相注入无功功率时，当所述开关管处于软关断状态后，逐渐降低所述无功功率，直到所述开关管不处于软关断状态，记录此时的无功功率，得到双移相软关断最小无功功率；偏置电流消除模块，用于当所述模式切换时，对切换时的偏置电流进行控制，消除所述偏置电流。
16.具体的，所述偏置电流消除模块，具体用于：通过控制模式切换后所有开关管第一个周期的导通占空比，消除模式切换时的偏置电流；其中，当正向轻载切重载或负向轻载切重载时，延长v1的低电平时间，在辅助电感的电流第一次过零后，控制其两端的电压差维持时间与重载时电流过零后相同，偏置电流消除；当正向重载切轻载或负向重载切轻载时，保持v1、v2为负，在辅助电感的电流第一次过零后，控制其两端的电压差维持时间与轻载时电流过零后相同，偏置电流消除；
当能量传递方向改变时，将超前桥臂与滞后桥臂的驱动信号对调，只保留对调后第一个周期所在的后半周期的驱动信号，偏置电流消除；其中，所述正向指原边侧向副边侧传递能量的方向，所述负向指副边侧向原边侧传递能量的方向，v1为原边侧输出电压，v2为副边侧输出电压，以t1导通为周期开始信号。
17.本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：能够在不增加额外器件的条件下，依靠无功注入的方式实现全功率范围的软开关，能够大幅度降低器件关断损耗，提高系统效率且不影响系统的动态响应。进一步的，通过在双移相的无功注入时控制无功功率，在满足软关断的条件下尽可能的降低无功功率，减小了隔离变压器的损耗。
18.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
19.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
20.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为本发明实施例中一种基于dab电路的全功率范围软开关控制方法流程图；图2是本发明实施例中带关断缓冲电容的双主动桥dc-dc变换器拓扑图；图3是本发明实施例中正向轻载切重载时开关器件的驱动信号图；图4是本发明实施例中正向重载切轻载时开关器件的驱动信号图；图5是本发明实施例中正向切负向时开关器件的驱动信号图；图6为本发明实施例中一种基于dab电路的全功率范围软开关控制系统框图。
具体实施方式
21.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
22.为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种基于dab电路的全功率范围软开关控制方法及系统。
23.实施例一本发明实施例一提供一种基于dab电路的全功率范围软开关控制方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：步骤s1：构建带关断缓冲电容的dab电路。如图2所示，所述的dab电路包括直流支撑电容cp-cs，开关管t1-t8，二极管d1-d8，辅助电抗l1，一个高频隔离变压器以及关断缓冲电容c1-c8。所述开关管ti的集电极或者阳极连接至所述对应二极管di的阴极，所述开关管ti的发射极或阴极连接至所述对应的二极管di的阳极，所述关断缓冲电容ci的正极连接至所述对应开关管ti的集电极或者阳极，所述关断缓冲电容ci的负极连接至所述对应开关管
ti的发射极或者阴极，其中i为整数且1≤i≤8。所述开关管t1-t2依次顺序串联组成原边半桥，t1-t4组成原边全桥,输出电压记为v1，t5-t6依次顺序串联组成副边半桥，t5-t8组成副边全桥，输出电压记为v2。
24.构建所述dab电路，具体包括以下步骤：所述dab电路包括原边全桥、副边全桥和一个高频隔离变压器，所述原边全桥和所述副边全桥分别与所述高频隔离变压器连接；所述原边全桥包括4个开关管t1、t2、t3和t4、一个直流支撑电容cp和一个辅助电抗l1，将t1和t2串联，将t3和t4串联，将t1集电极的一端、t3集电极的一端和cp正极的一端连接，将t2发射极的一端、t4发射极的一端和cp负极的一端连接，l1的一端与t1和t2之间的连线连接，l1的另一端连接至所述高频隔离变压器原边的一端，所述高频隔离变压器原边的另一端连接至t3和t4之间的连线上；所述副边全桥包括4个开关管t5、t6、t7和t8、一个直流支撑电容cs，将t5和t6串联，将t7和t8串联，将t5集电极的一端、t7集电极的一端和cs正极的一端连接，将t6发射极的一端、t8发射极的一端和cs负极的一端连接，所述高频隔离变压器副边的一端连接至t5和t6之间的连线上，所述高频隔离变压器副边的另一端连接至t7和t8之间的连线上；所述原边全桥和所述副边全桥中的每个所述开关管分别对应一个二极管和一个关断缓冲电容，将每个所述开关管的集电极分别连接至所述对应二极管的阴极和所述对应关断缓冲电容的正极，将每个所述开关管的发射极分别连接至所述对应二极管的阳极和所述对应关断缓冲电容的负极。
25.步骤s2：根据所述dab电路的实际传输功率，确定工作模式；根据所述dab电路中的电容大小、直流电压大小、死区时间和移相电感，确定所述模式切换功率。
26.步骤s3：当所述dab电路的实际传输功率小于预设的模式切换功率时，采用外移相角不小于90度且不超过180度的移相控制策略使所述dab电路的开关管零电压开通，其中，当所述外移相角大于90度时，将无功功率注入所述dab电路，使所述开关管的关断电流增加，缓冲电容在死区时间内充放电完成，开关管处于软开关状态。此时器件关断电流增加，即使在空载下，仍然有较大的关断电流，该电流能够保证器件处于软开关状态。所述软开关状态包括软开通状态和软关断状态。
27.当系统功率小于模式切换功率时，可采用无功注入的移相控制策略对dab进行控制。所述无功注入为增大轻载下dab传输功率中的无功功率，提高开关管在轻载下的关断电流。
28.所述移相控制策略包括单移相控制、双移相控制、三移相控制中的任意一种。
29.进一步，当采用双移相注入无功功率时，当所述开关管处于软关断状态后，逐渐降低所述无功功率，直到所述开关管不处于软关断状态，记录此时的无功功率，得到双移相软关断最小无功功率。相比于单移相的无功注入，双移相的无功注入能够控制无功功率，在满足软关断的条件下尽可能的降低无功功率，减小隔离变压器的损耗。
30.步骤s4：当所述dab电路的实际传输功率不小于预设的模式切换功率时，采用单相控制策略使所述dab电路的开关管零电压开通，所述开关管处于软开关状态。
31.当所述dab电路的实际传输功率不小于预设的模式切换功率时，可采用单移相控制策略对dab进行控制。并联关断缓冲电容之后，由于关断时有缓冲电容，为软关断，能够实
现开关器件的软开关状态。
32.步骤s5：当所述模式切换时，对切换时的偏置电流进行控制，消除所述偏置电流。
33.切换过程需要对切换所产生的偏置电流进行补偿与消除，以保证dab电路的动态响应。切换可分为正向轻载切重载，正向重载切轻载，正向切负向，负向切正向，负向轻载切重载，负向重载切轻载等六种切换模式。轻载采用基于无功注入的双重移相，重载采用单移相控制分析切换过程。其中，如图2所示，以t1导通为周期开始信号，能量从v1传递到v2为正向传递。
34.具体的，对切换时的偏置电流进行控制，消除所述偏置电流，包括以下步骤：通过控制模式切换后所有开关管第一个周期的导通占空比，消除模式切换时的偏置电流。
35.具体的，通过控制模式切换后所有开关管第一个周期的导通占空比，消除模式切换时的偏置电流，包括以下步骤：当正向轻载切重载或负向轻载切重载时，延长v1的低电平时间，在辅助电感的电流第一次过零后，控制其两端的电压差维持时间与重载时电流过零后相同，偏置电流消除；正向轻载切重载时的开关管驱动信号如图3所示，轻载采用基于无功注入的双重移相，重载采用单移相控制分析切换过程，其中din为内移相角，dout为外移相角。dinlast为上一周期的内移相角，doutlast为上一周期的外移相角，ts表示一个周期，i表示电流信号。
36.当正向重载切轻载或负向重载切轻载时，保持v1、v2为负，在辅助电感的电流第一次过零后，控制其两端的电压差维持时间与轻载时电流过零后相同，偏置电流消除；正向重载切轻载时的开关管驱动信号如图4所示，重载采用单移相控制分析切换过程，轻载采用基于无功注入的双重移相，其中din为内移相角，dout为外移相角。dinlast为上一周期的内移相角，doutlast为上一周期的外移相角，ts表示一个周期，i表示电流信号。
37.当能量传递方向改变时，将超前桥臂与滞后桥臂的驱动信号对调，只保留对调后第一个周期所在的后半周期的驱动信号，偏置电流消除；正向切负向时开关管驱动信号如图5所示，其中din为内移相角，dout为外移相角。dinlast为上一周期的内移相角，doutlast为上一周期的外移相角，ts表示一个周期，i表示电流信号。
38.其中，所述正向指原边侧向副边侧传递能量的方向，所述负向指副边侧向原边侧传递能量的方向。
39.本实施例的上述方法中，能够在不增加额外器件的条件下，依靠无功注入的方式实现全功率范围的软关断，能够大幅度降低器件关断损耗，提高dab电路效率且不影响dab电路的动态响应。进一步的，通过在双移相的无功注入时控制无功功率，在满足软关断的条件下尽可能的降低无功功率，减小了隔离变压器的损耗。
40.本领域技术人员能够对上述顺序进行变换而并不离开本公开的保护范围。
41.实施例二本发明实施例二提供一种基于dab电路的全功率范围软开关控制系统，其结构如图6所示，包括：dab电路构建模块100，用于构建所述dab电路，所述dab电路包括原边全桥、副边全桥和一个高频隔离变压器，所述原边全桥和所述副边全桥分别与所述高频隔离变压器连接；所述原边全桥包括4个开关管t1、t2、t3和t4、一个直流支撑电容cp和一个辅助电抗l1，
将t1和t2串联，将t3和t4串联，将t1集电极的一端、t3集电极的一端和cp正极的一端连接，将t2发射极的一端、t4发射极的一端和cp负极的一端连接，l1的一端与t1和t2之间的连线连接，l1的另一端连接至所述高频隔离变压器原边的一端，所述高频隔离变压器原边的另一端连接至t3和t4之间的连线上；所述副边全桥包括4个开关管t5、t6、t7和t8、一个直流支撑电容cs，将t5和t6串联，将t7和t8串联，将t5集电极的一端、t7集电极的一端和cs正极的一端连接，将t6发射极的一端、t8发射极的一端和cs负极的一端连接，所述高频隔离变压器副边的一端连接至t5和t6之间的连线上，所述高频隔离变压器副边的另一端连接至t7和t8之间的连线上；所述原边全桥和所述副边全桥中的每个所述开关管分别对应一个二极管和一个关断缓冲电容，将每个所述开关管的集电极分别连接至所述对应二极管的阴极和所述对应关断缓冲电容的正极，将每个所述开关管的发射极分别连接至所述对应二极管的阳极和所述对应关断缓冲电容的负极；模式切换功率确定模块200，用于根据所述dab电路的实际传输功率，确定工作模式；根据所述dab电路中的电容大小、直流电压大小、死区时间和移相电感，确定所述模式切换功率；第一软关断控制模块300，用于当所述dab电路的实际传输功率小于预设的模式切换功率时，采用外移相角不小于90度且不超过180度的移相控制策略使dab电路的开关管零电压开通，其中，当外移相角大于90度时，将无功功率注入dab电路，使开关管的关断电流增加，缓冲电容在死区时间内充放电完成，开关管处于软开关状态；第二软关断控制模块400，用于当所述dab电路的实际传输功率不小于预设的模式切换功率时，采用单移相控制策略使所述dab电路的开关管零电压开通，所述开关管处于软开关状态。所述软开关状态包括软开通状态和软关断状态。
42.所述移相控制策略包括单移相控制、双移相控制、三移相控制中的任意一种。
43.一种基于dab电路的全功率范围软开关控制系统，还包括：最小无功功率确定模块500，用于当采用双移相注入无功功率时，当所述开关管处于软关断状态后，逐渐降低所述无功功率，直到所述开关管不处于软关断状态，记录此时的无功功率，得到双移相软关断最小无功功率；偏置电流消除模块600，用于当所述模式切换时，对切换时的偏置电流进行控制，消除所述偏置电流。
44.具体的，偏置电流消除模块600，具体用于：通过控制模式切换后所有开关管第一个周期的导通占空比，消除模式切换时的偏置电流；其中，当正向轻载切重载或负向轻载切重载时，延长v1的低电平时间，在辅助电感的电流第一次过零后，控制其两端的电压差维持时间与重载时电流过零后相同，偏置电流消除；当正向重载切轻载或负向重载切轻载时，保持v1、v2为负，在辅助电感的电流第一次过零后，控制其两端的电压差维持时间与轻载时电流过零后相同，偏置电流消除；当能量传递方向改变时，将超前桥臂与滞后桥臂的驱动信号对调，只保留对调后第一个周期所在的后半周期的驱动信号，偏置电流消除；其中，所述正向指原边侧向副边侧传递能量的方向，所述负向指副边侧向原边侧
传递能量的方向，v1为原边侧输出电压，v2为副边侧输出电压，以t1导通为周期开始信号。
45.本实施例中，能够在不增加额外器件的条件下，依靠无功注入的方式实现全功率范围的软关断，能够大幅度降低器件关断损耗，提高系统效率且不影响系统的动态响应。进一步的，通过在双移相的无功注入时控制无功功率，在满足软关断的条件下尽可能的降低无功功率，减小了隔离变压器的损耗。
46.关于上述实施例中的系统，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
47.凡在本发明的原则范围内做的任何修改、补充和等同替换等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围内。