[發明專利]全半橋諧振變換器及其電壓平衡控制方法

在審

• 申請號: 202210104033.5
• 申請日: 2022-01-28
• 公開（公告）號: CN114465489A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 胡松;汪銳;鐘黎萍;楊浩東;康樂;楊晴晴
• 申請（專利權）人: 常熟理工學院
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335;H02M1/32
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 張勵

本發明公開了一種全半橋諧振變換器及其電壓平衡控制方法，所述全半橋諧振變換器一次側為全橋具有4個開關管和諧振電感、電容，二次側為半橋具有2個開關管，一共具有6個開關管，與現有雙橋諧振變換器相比減少了元件數目。本發明采用基波近似方法分析了功率模型和軟開關條件，提出一種電壓平衡控制策略，使變換器可以在寬電壓范圍下實現一次測二次側的電壓平衡，同時保證了開關管全部實現軟開關，提升了變換器效率。

技術領域

本發明涉及隔離式高頻諧振變換器的控制技術，具體涉及一種全半橋諧振變換器的拓撲及其電壓平衡控制方法。

背景技術

在新能源電動汽車的組成中，車載充電機OBC(On-Board-Charger)是核心器件之一，它由功率因數校正PFC和隔離雙向DC-DC構成。而隔離雙向DC-DC變換器因其高功率密度、電氣隔離、能量雙向傳輸等優點而越來越受到關注。但是，當電壓增益偏離1時會出現失去軟開關，環流增大，變壓器飽和等問題，導致變換器效率下降。

諧振雙有源橋變換器具有廣泛的軟開關范圍，并且已經提出了一些相位/移位控制方案。傳統上，雙有源橋變換器采用單一相移(SPS)的調制策略；采用這種策略需要雙有源橋變換器的原副邊橋同時工作在50％占空比下，且原副邊橋的相移可調。此外，雙有源橋變換器歸一化電壓增益等于1的工況被定義為電壓平衡工況。在該工況下，DAB變換器的循環電流最低，且零電壓開關(ZVS)范圍最寬。然而，當電壓轉換比偏離1時，基于SPS的雙有源橋變換器會出現循環電流增大以及ZVS喪失的情況。

為解決這一問題，學者們提出了不同的改進型調制策略。其中，擴展相移(EPS)調制是將一個全橋的輸出電壓的占空比降低到0.5以下。它通常是通過在一個全橋的驅動信號間引入一個附加的橋內相移來實現，其中內相移角由實際電壓轉換比決定。因此，一個全橋的輸出電壓變為三電平波形，而另一個全橋的輸出電壓仍為兩電平方波。與SPS相比，EPS方案不僅減小了循環電流，而且擴大了ZVS范圍。然而，當變換器狀態在降壓模式和升壓模式之間轉換時，兩個全橋的控制信號需要互換。

為了保持良好的動態性能，學者們又提出了雙相移(DPS)調制。與EPS相似，DPS顯著降低了循環功率，擴大了ZVS范圍。此外，與EPS不同，DPS在兩個全橋上同時產生一個相同的橋內相移。因此，兩個全橋的輸出電壓都是對稱的三電平波形。然而，EPS和DPS都只有兩個控制自由度，這阻止了性能的進一步提升。

因此，學者們提出了三重相移(TPS)調制。與DPS不同，TPS中存在兩個不相等的橋內相移。然而，由于附加的控制自由度，解析解形式下的最優調制策略很難確定。一種解決該問題的方法是利用傅立葉分析推導出最優策略。然而，因為得出的結果是一個有無限項系數的表達式，所以分析結果往往是復雜而且不直觀的。另一種方法是利用凸優化工具來推導出結果。但在許多情況下，求解的數學表達式是一個非凸問題，因此不存在全局最優解。此外，它還高度依賴于變換器參數，這使得它很難在實際中應用。此外，在EPS、DPS和TPS中，全橋的輸出電壓總是存在零電平時間段。在此期間，變換器沒有發生有功功率傳送，這削弱了DAB的功率傳輸能力。

發明內容

本發明提出了一種全半橋諧振變換器的電壓平衡控制策略來滿足寬電壓范圍的要求，用于擴展全半橋諧振變換器的軟開關范圍和提高整體效率。

實現本發明目的的技術解決方案是：針對高頻諧振變換器，提出一種全半橋諧振電路結構和一種擴展零電壓開關(ZVS)范圍、減少耗能并提高整體效率的電壓平衡控制策略。

本發明公開了一種全半橋諧振變換器，包括一次側的全橋，二次側的半橋，諧振電容C_p、諧振電感L_s，匝數比為1：n的高頻變壓器Tr；