一种加装缓冲器的DC-DC变换器及减小回流功率的方法

专利主权项内容

1.一种加装缓冲器的DC-DC变换器减小回流功率的方法，其特征在于：DC-DC变换器含左右两边有源全桥和高频隔离变压器以及电感、电阻，高频隔离变压器两边的有源全桥均由四个IGBT功率开关管(S～S)、四个二极管(Q～Q)和四个缓冲电容(C～C)组成，二极管反串在IGBT功率开关管上，缓冲电容(C～C)并联在IGBT功率开关管上；左侧有源全桥四个IGBT功率开关管(S～S )反串四个二极管(Q～Q)，并联四个缓冲电容(C～C)，右侧有源全桥由四个IGBT功率开关管(S5～S8)反串四个二极管(Q5～Q8)，并联四个缓冲电容(C5～C8)；18181818141414高频隔离变压器T的变比为n：1，电感L为外串电感加变压器漏感之和；一次侧输出电压为U，二次侧输入电压为U，电感电压为U，电感电流为i；h1h2LL左右两个桥式直流变换器两侧开关管(S～S)频率相同，每个全桥的上下开关管互补导通；左侧桥式直流变换器的开关管S、S和S、S轮流导通；右侧的开关管S、S和S、S的导通规律、开关频率和左侧相同；1814235867DC-DC变换器左侧全桥对角开关管之间存在一个移相角半个周期内的移相比表示为其中D为内移相比；左侧U侧与右边U侧之间也存在一个移相角φ，半个周期内的移相比表示为D＝φ/π，其中D为外移相比，满足条件0≤D≤D≤1；1122212根据双有源桥DC-DC变换器左侧U侧与右侧U侧两边对功率的需求来控制功率的流动方向，定义传输功率、回流功率，采用双移相控制方法，对不同电压变比K下的软开关条件进行分析比较，计算和优选出传输功率的界限；包括如下步骤：12(1)通过分析双有源桥DC-DC变换器的工作模式，绘制出变换器的理想工作波形图；(2)根据所绘制的工作波形图，进行理论计算，算出各时刻的电感电流值；(3)根据传输功率和回流功率的定义，计算出传输功率和回流功率关于移相角的数学表达式；(4)根据步骤(2)所求得的电感电流值，得出双有源桥DC-DC变换器的软开关条件；(5)将步骤(4)中所求软开关条件代入步骤(3)中所求回流功率表达式，计算出此时传输功率的界限，在此界限内，回流功率的理论值为零；(6)当传输功率在(5)所求界限之外时，利用拉格朗日数乘法求解回流功率最优点；(7)最后通过仿真分析验证；移相角的定义为：DC-DC变换器左侧全桥对角开关管之间存在一个移相角半个周期内的移相比表示为/>其中D为内移相比；左侧U侧与右侧U侧之间也存在一个移相角φ，半个周期内的移相比表示为D＝φ/π，其中D为外移相比，满足条件0≤D≤D≤1；1122212回流功率的定义为：当左侧H桥即U侧电压U和电感电流i方向相反，此时电感中储存的能量回流到U侧，这部分功率为回流功率，t～t'时刻回流功率定义为左侧回流功率；当右侧H桥即U侧电压U和电感电流i方向相反，此时电感中储存的能量回流到U侧，t-t'时刻回流功率定义为右侧回流功率；右侧H桥即U侧回流功率用来为电感充电；以左侧H桥即U侧回流功率作为控制目标；1h1L1112h2L24421根据步骤(1)通过绘制出来的变换器理想工作波形图，计算双重移相控制下的算出各时刻的电感电流值i：L令t＝0，可得t＝DT，t＝DT，t＝T，t＝(1+D)T，t＝(1+D)T，t＝2T，其中T为半个开关周期；设电压调节比k＝U/nU，开关频率f＝1/2T，由对称性i(t)＝-i(t)，i(t)＝-i(t)，i(t)＝-i(t)可得：011hs22hs3hs41hs52hs6hshs12hsL0l3L1L4L2L5在步骤(3)中，根据传输功率和回流功率的定义，计算出传输功率和回流功率关于移相角的数学表达式如下：根据求解功率公式
知电感一个周期内功率的求解定义
可得双重移相控制下的传输功率P为：D根据回流功率的定义，可得双重移相下的回流功率为：其中，为P为左侧H桥的回流功率，P为右侧H桥回流功率；Dcir_lDcir_r在步骤(4)中，根据步骤(2)所求得的电感电流值，分析双有源桥DC-DC变换器的软开关条件：定义i(t)＝0时为软开关临界条件，由式(2)知道，当电感电流满足i(t)≤0时，左侧H桥的开关管S和S实现零电压导通与软开关关断，根据电感电流的对称性可以知道，开关管S和S同样可以实现零电压导通以及软开关关断；可以得到左侧H桥软开关约束条件：L1L11423同理由式(3)表示的t时刻电感电流i(t)≥0，右侧H桥软开关约束条件为：2L2此时右侧H桥开关管S～S均满足零电压导通以及软开关关断条件；58在步骤(5)中，将步骤(4)中所求软开关条件代入步骤(3)中所求回流功率表达式，计算出此时传输功率的界限，在此界限内，回流功率的理论值为零：将传输功率标幺化，取传统单移相控制下的最大传输功率P为基准值，则有：N根据式(4)和(5)以及式(10)，可得双重移相控制下的传输功率和左、右侧回流功率的标幺值为：对左侧回流功率的最小化为：将软开关临界条件(7)带入式(11)中可得：由式(14)可知，当传输功率时，此时的回流功率理论上为零；当传输功率时，此时式(14)无解，最优回流功率工作点为(D, D)，用拉格朗日数乘法来确定：式(15)为拉格朗日数乘法的基本形式：12L(x, y, λ)＝f(x, y)+λg(x, y) (15)其中f(x, y)是目标函数，g(x, y)是制约目标函数的约束条件，λ为拉格朗日乘数；以回流功率作为目标函数，以传输功率条件为等式约束条件的条件函数，式(15)重写为如下方程：L(D, D, λ)＝P'(D, D)+λ(P-P) (16)12Dcir120由可得：因此可得最小回流功率：