一种DAB变换器在大功率区间的效率优化方法与流程

本发明涉及单相dc-dc变换器领域，具体涉及一种dab变换器在大功率区间的效率优化方法。

背景技术：

1、dc-dc变换器承担着功率传输、电压转换、隔离绝缘等作用。由于dab变换器具有对称拓扑结构、高功率密度、软开关易实现和动态响应能力强等优点，适合工作于高压大功率应用场合，被广泛应用于直流微电网、储能电站和电动汽车等领域中，因此得到广泛关注。移相控制方案是目前最为普遍的控制策略。但随着输出功率的增加，为了实现软开关会导致通态损耗增加，进而使系统效率降低。实现软开关的同时让通态损耗降低是dab变换器效率优化的关键问题。

2、中国发明专利公开说明书(cn112953234a)公开了一种双向dc/dc变换器的双移相控制方法及系统，本发明采用宽范围双移相的主动控制方式，进一步提升了效率，降低系统应力。但是该方法只有两个自由度，对效率的优化有限。

3、文献“unified triple-phase-shift control to minimize current stressand achieve full soft-switching of isolated bidirectional dc-dc converter”[《ieee transactions on industrial electronics》2016，63(7)：4169-4179](“基于三重移相控制的双主动全桥直流变换器优化调制策略”，2016年第63卷第7期4169-4179页)提出电流应力与软开关范围双目标优化的控制策略，利用kkt方程推导出tps控制下带有软开关约束的电流应力最优控制策略以开关动作时刻电感电流正负极性作为软开关依据，忽略了开关管结电容对软开关特性的影响，缺乏可靠性。

4、文献“optimized eps control to achieve full load range zvs withseamless transition for dual active bridge converters”[《ieee transactions onindustrial e1ectronics》2021，68(9)：8379-8390](“优化eps控制实现全负载范围zvs与无缝过渡的双有源桥式变换器”，2021年第68卷第9期8379-8390页)提出了一种通过在变压器原边侧引入附加并联电感，利用磁化电流扩展zvs范围的方法可实现全范围的软开关，但在该策略下，dab变换器通态损耗明显增大，效率不能得到充分的提高。

5、中国发明专利公开说明书(cn115483837a)一种基于dab电路的全功率范围软开关控制方法及系统，本发明提出一种软开关最优控制策略，能够实现全功率范围的开关管软开关控制，大幅度降低开关器件开关损耗，提高系统效率且不影响系统的动态响应，但是在大功率区间时通态损耗较高，系统效率较低，相关效率优化调制策略有待进一步研究。

6、综上所述，现有技术还存在以下问题：

7、1、dps控制相较于tps控制缺少一个自由度，对效率的提高效果有限；

8、2、电流应力与软开关范围双目标优化的控制策略未考虑开关管结电容，优化结果不准确导致效率偏低；

9、3、效率优化成本较高，且额外的辅助硬件让系统体积增加；

10、4、软开关最优控制策略在大功率区间有较大的导通损耗，导致效率降低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题为以上现有技术中存在的问题，具体的，基于dab变换器的拓扑，在不增加或改动任何硬件的基础上，提出了一种优化方法，实现了dab变换器在大功率区间的效率提升。

2、本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种dab变换器在大功率区间的效率优化方法，所述dab变换器包括原边侧直流电源、原边单相全桥、副边单相全桥、副边侧直流电源、高频隔离变压器和谐振电感；所述原边单相全桥并联在原边侧直流电源的正负直流母线之间，所述副边单相半桥并联在副边侧直流电源的正负直流母线之间；

3、所述原边单相全桥包括4个带反向并联二极管的开关管，分别记为开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4，其中开关管s1的发射极和开关管s2的集电极串联组成原边第一桥臂，且接点记为点a，开关管s3的发射极和开关管s4的集电极串联组成原边第二桥臂，且接点记为点b，谐振电感的输入端与点a连接、输出端与高频隔离变压器的原边输入端连接，高频隔离变压器的原边输出端与点b连接；所述副边单相全桥包括4个带反向并联二极管的开关管，分别记为开关管s5、开关管s6、开关管s7和开关管s8，其中开关管s5的发射极和开关管s6的集电极串联组成副边第一桥臂，且接点记为点c，开关管s7的发射极和开关管s8的集电极串联组成副边第二桥臂，且接点记为点d，所述高频隔离变压器的副边输入端与点c连接、副边输出端与点d连接；

4、所述效率优化方法的步骤如下：

5、设定dab变换器的开关管频率均为fs，开关周期为ts，ts＝1/fs；

6、步骤1，设定dab变换器的直流输出电流指令值iref，通过一个电流传感器采样dab变换器的输出电流io，利用功率计算模块求得输出功率po*和输出功率指令值pref*；然后定义输出功率误差信号δp，将输出功率误差信号δp送入pi调节器得到dab变换器的输出功率整定值p，并经过标幺化处理得到输出功率标幺值p*；

7、步骤2，设定dab变换器的工作模态并定义大功率区间

8、根据输出功率标幺值p*定义四种工作模态：

9、0<p*≤f0时，为工作模态1；

10、f0<p*≤f1时，为工作模态2；

11、f1<p*≤f2时，为工作模态3；

12、f2<p*≤1时，为工作模态4；

13、其中，f0为工作模态1的上边界，f2为工作模态3的上边界；将工作模态3和工作模态4所在区间记为大功率区间，f1为大功率区间的下边界；

14、步骤3，大功率区间两种工作模态中占空比的计算

15、记原边高电平占空比为d1、副边高电平占空比为d3，并将原边副边之间的高电平中心移相比记为高电平中心移相比d2，计算得到两种工作模态下的原边高电平占空比d1、副边高电平占空比d3和高电平中心移相比d2；

16、工作模态3时的计算式如下：

17、

18、d3＝1

19、工作模态4时的计算式如下：

20、

21、d3＝1

22、式中，k为电压变换比，a为第一常数，a＝2ip/in，b为第二常数，b＝2is/in；in为基准电流，in＝nu2/(8fslr)，u2为副边侧直流电压，n为高频隔离变压器的变比，lr为谐振电感l的电感值，ip为原边单相全桥实现软开关的最小电流，is为副边单相全桥实现软开关的最小电流；

23、根据移相比-占空比转换公式计算得到两种工作模态下的原边内移相比、副边内移相比和外移相比，分别记为工作模态3原边内移相比d1y,工作模态3副边内移相比d3y、工作模态3外移相比d2y，工作模态4原边内移相比d1f,工作模态4副边内移相比d3f和工作模态4外移相比d2f；

24、步骤4，两种工作模态的平滑切换

25、若dab变换器处于工作模态3且输出功率标幺值p*增加，满足p*>f2时，dab变换器的工作模态3平滑切换至工作模态4：

26、若dab变换器处于工作模态4且输出功率标幺值p*减小，满足p*≤f2时，dab变换器由工作模态4平滑切换为工作模态3；

27、步骤5，两个单相全桥控制电路的控制

28、将8个开关管中的任意一个记为开关管si，开关管si的驱动信号记为驱动信号qi，i＝1，2，...，8；

29、驱动信号q1与驱动信号q2互补导通，驱动信号q3与驱动信号q4互补导通，驱动信号q1上升沿超前于驱动信号q4上升沿d1ts；驱动信号q5与驱动信号q6互补导通，驱动信号q7与驱动信号q8互补导通，驱动信号q5上升沿超前于驱动信号q8上升沿d3ts；驱动信号q1上升沿超前于驱动信号q5上升沿d2ts；

30、若dab变换器处于工作模态3时，d1＝d1y，d2＝d2y，d3＝d3y；

31、若dab变换器处于工作模态4时，d1＝d1f,d2＝d2f，d3＝d3f。

32、优选地，步骤1所述输出功率po*和输出功率指令值pref*的表达式分别如下：

33、

34、步骤1所述输出功率标幺值p*的表达式如下：

35、

36、其中，u1为原边侧直流电压。

37、优选地，步骤2所述工作模态1的上边界f0、大功率区间的下边界f1和工作模态3的上边界f2的计算式如下；

38、

39、式中，所述原边单相全桥实现软开关的最小电流up和副边单相全桥实现软开关的最小电流is的计算式分别如下：

40、

41、其中，ch1为原边单相全桥中任一开关管的结电容，ch2为副边单相全桥中任一开关管的结电容。

42、优选地，将步骤3所述工作模态3原边内移相比d1y和工作模态4原边内移相比d1f统称为原边内移相比d1，工作模态3副边内移相比d3y和工作模态4副边内移相比d3f统称为副边内移相比d3，工作模态3外移相比d2y和工作模态4外移相比d2f统称为外移相比d2，所述移相比-占空比转换公式为：

43、d1＝1-d1

44、

45、d3＝1-d3。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

47、1、本发明优化方法在大功率区间可实现效率提升。

48、2、本发明优化方法不需要增加或改动任何硬件，即可实现在大功率区间的效率优化。

49、3、本发明优化方法含有三个自由度，分别为原边高电平占空比、副边高电平占空比和原、副边高电平中心移相比的调节，从而可实现宽范围软开关。

50、4、本发明在不改变拓扑结构的基础上，提出了一种dab变换器在大功率区间的效率优化方法，该优化方法在实现软开关的同时，相对于软开关最优控制策略在大功率区间的电感电流有效值更小，通态损耗更低，效率更高。