宽范围零电压开通移相全桥变换器的多模式控制方法

本发明涉及电力电子，特别涉及一种宽范围零电压开通移相全桥变换器的多模式控制方法。

背景技术：

1、交通领域的“电能替代”与“清洁替代”成为实现“双碳”目标的必经之路，因此我国将新能源汽车产业纳入七大战略性产业之一，随着政策的推动，新能源汽车需求不断增长，车载电子设备的数量和功耗不断增加。这些丰富的设备资源成为品牌市场扩大的重要因素之一。然而，为车载电子设备供电的蓄电池电压会随着电量的变化会有一定的波动，并且与负载密切相关。因此需要一种高效可靠的隔离型低压大电流dc-dc变换器为电子负载提供高效稳定的电力供应。

2、移相全桥变换器作为一种可实现开关管零电压开通的隔离型dc-dc变换器，其在车载电源上得到了广泛的应用。传统的移相全桥变换器大多在连续电感电流和开关管定死区时间模式下运行，会导致滞后桥臂开关管管(q3,q4)在负载较轻时刻丢失零电压开通特性，以至于增大开关损耗，降低变换器emi性能。基于此，有学者相继提出增大谐振电感(lres)、增加辅助变压器、移相pwm混合控制和两模式混合控制等方法，从改变电路拓扑和控制策略方面拓宽滞后桥臂(q3,q4)实现零电压开通的负载范围。但会出现移相全桥变换器占空比丢失严重，电路冗余，寄生参数影响较为严重和操作复杂等问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法。该方法能够在不增加谐振电感、不改变原有结构拓扑的条件下，实现变换器开关管全负载范围的零电压开通，大大提高其能量转换效率。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制，移相全桥变换器包括：稳压电容、移相全桥电路、高频隔离变压器、全波同步整流电路、输出滤波器、驱动模块、隔离ic、采样单元和控制器，稳压电容的输出与移相全桥电路输入相连，且移相全桥电路与高频隔离变压器一次侧相连；高频隔离变压器二次侧与全波同步整流电路相连；全波同步整流电路与输出滤波器相连；采样单元采集移相全桥变换器输入端的电压与移相全桥变换器输出端的电压和电流，将采集到的电压和电流信号通过隔离ic连接至控制器；控制器通过隔离ic和驱动模块连接控制移相全桥电路、全波同步整流电路；其中，移相全桥电路包括一个超前桥臂和一个滞后桥臂，其中超前桥臂包括超前桥臂高侧开关管q1和低侧开关管q2，滞后桥臂包括滞后桥臂高侧开关管q3和低侧开关管q4；全波同步整流电路包括同步整流管sr1和同步整流管sr2；控制器包括epwm死区控制单元、电压环控制单元、数字epwm单元和多模式切换控制单元；采样单元包括输入、输出电压采样单元和输出电流采样单元；

3、所述移相全桥变换器的多模式控制方法具体步骤为：

4、步骤1，在电流连续模式下，建立移相全桥变换器零电压开通过程模型；

5、步骤2，在电流断续模式下，建立移相全桥变换器零电压开通过程模型；

6、步骤3，根据步骤1建立的模型计算电流断续模式切换点；

7、步骤4，确定移相全桥变换器工作在电流断续模式和burst模式的开关频率fdcm；

8、步骤5，根据步骤2建立的模型计算burst模式切换点；

9、步骤6，根据步骤1、2建立的模型求解出自适应死区时间曲线；

10、步骤7，移相全桥变换器工作模式即电流连续模式、电流断续模式和burst模式的选择与切换控制方法。

11、本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法，所述步骤1具体为：

12、宽范围零电压开通的移相全桥变换器工作在电流连续模式时，滞后桥臂开关管零电压开通过程模型的建立方法：

13、根据宽范围零电压开通的移相全桥变换器工作在电流连续模式下滞后桥臂零电压开通过程的等效电路，其实现零电压开通的条件为：

14、

15、其中，ip2,ccm为电流连续模式下滞后桥臂开关管q4关断时刻原边电流，lr为变压器漏感，vin为输入电压，cq,eq为移相全桥电路开关管电荷等效电容。

16、电流连续模式下滞后桥臂开关管q4关断时刻电流可以表示为：

17、

18、

19、

20、其中，io为输出电流，deff为副边电压有效占空比，ts为变换器开关周期，fs为变换器开关频率，td,lag为滞后桥臂死区时间，n为变压器匝比，lf为输出滤波电感，lm为变压器励磁电感，为最大励磁电流，vo为输出电压。

21、本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法，所述步骤2具体为：

22、宽范围零电压开通的移相全桥变换器工作在电流断续模式时，滞后桥臂开关管零电压开通过程模型的建立方法：

23、根据宽范围零电压开通的移相全桥变换器电流断续模式下滞后桥臂零电压过程的等效电路，实现零电压开通的条件为

24、

25、其中，ip2,dcm和ilf分别为电流断续模式下滞后桥臂开关管q4关断时刻原边电流和滤波电感电流，c'sr,eq为同步整流管折算到变压器原边的等效寄生电容，ct为变压器分布电容；

26、当宽范围零电压开通的移相全桥变换器工作在电流断续模式时，由于变压器副边同步整流管的寄生参数影响，滤波电感电流会在零点附近发生振荡，其时域表达式为

27、

28、

29、其中，csr,eq为同步整流管的等效寄生电容，ω1为lf和csr,eq的谐振角频率；

30、根据电感电压伏秒平衡定律，可以推导出宽范围零电压开通的移相全桥变换器在电流断续模式下时的占空比公式：

31、

32、则电感电流上升下降时间为

33、

34、整理可得滤波电感电流振荡时间为

35、

36、其中，为电流断续模式下滞后桥臂开关管死区时间。

37、将式(10)带入式(6)中可得电流断续模式下滞后桥臂开关管q4关断时刻滤波电感电流：

38、

39、当变换器工作在电流断续模式时，由于滤波电感电流断续，滞后桥臂开关管q4关断时刻原边电流就等于变压器的励磁电流：

40、

41、其中，fdcm为变换器在提前进入电流断续模式所需的最大开关频率。

42、本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法，所述步骤3具体为：

43、根据权利要求2建立的模型确定电流断续模式的模式切换点：通过计算移相全桥变换器在电流连续模式下，滞后桥臂开关管实现临界零电压开通时的负载电流，将该负载点设置为电流断续模式的模式切换点。

44、联立公式(1)(2)(3)(4)，可得电流连续模式下滞后桥臂开关管q3实现零电压开通最小负载电流：

45、

46、其中，为电流断续模式下滞后桥臂开关管死区时间。

47、本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法，所述步骤4具体为：

48、为实现开关管宽范围零电压开通，根据式(13)确定变换器在输出电流等于时进入电流断续模式，通过伏秒平衡原理计算电感电流峰峰值，可得变换器在输出电流等于时进入电流断续模式所需的最大开关频率：

49、

50、本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法，所述步骤5具体为：

51、根据权利要求3建立的模型确定burst模式切换点，计算移相全桥变换器在电流断续模式下，滞后桥臂开关管实现临界零电压开通时的负载电流，将该负载点设置为burst模式切换点：

52、联立式(5)(8)(11)(12)，可得电流连续模式下滞后桥臂q3实现零电压开通最小负载电流：

53、

54、本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法，所述步骤6具体为：

55、当移相全桥变换器在电流断续模式工作时，由于变压器励磁电感电流较小，滞后桥臂开关管寄生电容充放电速度较慢，因此需要设置较长的死区时间；同时，随着负载的减小，变压器的励磁电流也会减小，最佳死区时间也会受到较大影响，因此滞后桥臂开关管的死区时间应随负载大小的变化而变化。

56、根据权利要求3中所建立的模型，可以得到复频域等效电路模型，并列出节点电压方程：

57、

58、

59、其中，s为复频率，u1为等效电路中cq,eq两端电压，u2为等效电路中lm两端电压，u3为等效电路中输出电压与lf两端电压之差，i2为受控电流源电流，vds,sr为同步整流管两端电压，l'f为折算到变压器原边的等效滤波电感，i'lf为为折算到变压器原边的等效滤波电感电流；

60、联立方程(16)(17)可以解出滞后桥臂开关管两端电压：

61、

62、其中：

63、

64、利用mathematica数学工具箱中的拉普拉斯逆变换模块，求出u1(s)的时域表达式，初始状态u1(0)＝vin；然后，求出不同负载电流io下u1(t)＝0v时的解，并通过多项式拟合得到io关于死区时间t的曲线；利用这些拟合结果，确定不同负载条件下滞后桥臂开关管的最佳死区时间；将多项式拟合结果输入到控制器中，计算出当前负载条件下的最佳死区时间，并将其设置到epwm死区控制单元中，实现自适应死区控制。

65、本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法，所述步骤7具体为：

66、s1.确定输出电压基准值vref、电流断续模式切换点burst模式切换点电流连续模式工作频率fccm和电流断续模式工作频率fdcm，通过采样单元获取输入电压采样值vin_samp、输出电流采样值io_samp和输出电压采样值vo_samp，并传输到控制器；

67、s2.移相全桥变换器进行软起动，控制器根据输出电压采样值vo_samp判断变换器是否完成软起动动作；

68、若输出电压采样值vo_samp小于输出电压基准值vref，则移相角φ减小1°；

69、若输出电压采样值vo_samp大于等于输出电压基准值vref，则软起动结束；

70、s3.控制器根据输出电流采样值io_samp对移相全桥变换器的工作模态进行第i次判断；

71、若判断次数i>＝2，则i＝0；

72、若则电流连续模式标志位ccm_flag[i]＝1；

73、若且ccm_flag[0]＝1，则ccm_flag[i]＝1；

74、若则电流断续模式标志位dcm_flag[i]＝1；

75、若且dcm_flag[0]＝1，则dcm_flag[i]＝1；

76、当时，移相全桥变换器直接进入burst模式；

77、s4.控制器对工作模态标志位ccm_flag[2]和dcm_flag[2]进行判断，并进入相应工作模态

78、若ccm_flag[0]等于1且ccm_flag[1]等于1时，则移相全桥变换器进入电流连续模式，设置开关频率fs＝fccm，设置同步整流管(sr1,sr2)开关时序为电流连续模式，并清除电流连续模式标志位，重复执行步骤s3；

79、若dcm_flag[0]等于1且dcm_flag[1]等于1时，则移相全桥变换器进入电流断续模式，设置开关频率fs＝fdcm，设置同步整流管(sr1,sr2)开关时序为电流断续模式，并清除电流断续模式标志位，重复执行步骤s3；

80、若电流断续模式标志位或电流连续模式标志位等于0时，则重复执行步骤s3。

81、由于采用以上技术方案，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

82、1)本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法与传统dc-dc变换器控制相比，能够在不增加额外谐振电感的前提下实现宽范围的零电压开通，提升dc-dc变换器的emi性能，减小开关损耗，减小占空比丢失，提升能量转换效率和功率密度。

83、2)本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法与传统dc-dc变换器的控制相比，能够根据移相全桥电路零电压开通过程的数学模型计算出开关管在不同负载及对应工作模态下实现零电压开通的最佳死区时间，以实现对开关管开关状态的精准控制。

84、3)本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法与传统dc-dc变换器的控制相比，能够显著提升dc-dc变换器工作在轻负载条件下的工作效率，并提供待机模式，减小变换器空载损耗。

85、4)本发明一种宽范围零电压开通的移相全桥变换器的多模式控制方法与传统dc-dc变换器的控制相比，动态响应更快。