[发明专利]一种基于高频交流升降压原理的DAB-BDC调制方法

摘要

本发明公开了一种基于高频交流升降压原理的DAB-BDC调制方法，将能量缓冲电感电流设计在电流临界连续模式(BCM)或断续模式(DCM)，且采用恒频控制，保证BDC中的开关器件实现零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)。提出一种实现器件最优电流应力多变量解的算法，并在控制中省去了电流传感器，直接提高了系统的动态性能。与现有技术相比，本发明所提方法具有优良性能。

主权项

一种基于高频交流升降压原理的DAB‑BDC调制方法，DAB‑BDC中输入、输出电压为U_in、U_o，则缓冲电感两侧电压为$u_L={\mathrm{AU}}_{in}-B\frac{U_o}{n}---\left(1\right)$式中，A、B分别为电感两侧电位的状态，n为变压器变比；其特征在于，DAB‑BDC的控制策略如下：高频正、负周期对称，每半个周期包含4个模态，4个模态的调制比分别为d₁、d₂、d₃、d₄；正半周期中，4个模态下A的值分别为1、1、0、0，B的值分别为0、1、1、0；负半周期中，4个模态下A的值分别为‑1、‑1、0、0，B的值分别为0、‑1、‑1、0；根据输入电压、输出电压以及输出功率的情况，半个开关周期中可能不包含上述所有4个模态。令T_s为开关周期，y₁、y₂分别为第一模态结束时刻和第二模态结束时刻缓冲电感电流i_L的值；根据作用于缓冲电感上的时间和电压，确定$y_1=\frac{U_{in}{d}_1{T}_S}{2L}---\left(2\right)$$y_2=\frac{{\mathrm{nU}}_{in}{T}_S{d}_1+({\mathrm{nU}}_{in}-U_o)T_S{d}_2}{2nL}---\left(3\right)$式中，L为缓冲电感的感值，根据电感电流上升量和下降量相等，得到$d_3=\frac{{\mathrm{nU}}_{in}{d}_1+({\mathrm{nU}}_{in}-U_o)d_2}{U_o}---\left(4\right)$变压器原边电流i_L，仅有第二模态和第三模态时间段的电流能流到负载侧，这两个模态的电流经变压器折算后的平均值等于负载电流，得$d_2^2({\mathrm{nU}}_{in}-U_o)+d_2(2{\mathrm{nd}}_1{U}_{in}+{\mathrm{nd}}_3{U}_{in}-d_3{U}_o)+{\mathrm{nd}}_1{d}_3{U}_{in}-4n^2{\mathrm{LI}}_o/T_S=0---\left(5\right)$将(4)代入(5)，得$d_2^2\left({\mathrm{nU}}_{in}\right({\mathrm{nU}}_{in}-U_o\left)\right)+d_2\left(2n^2{U}_{in}^2{d}_1\right)+n^2{U}_{in}^2{d}_1^2-4n^2{\mathrm{LU}}_o{I}_o/T_S=0---\left(6\right)$解得$d_2=\frac{x_2{d}_1+\sqrt{x_3{d}_1^2+x_4}}{x_1}---\left(7\right)$d₃＝x₅d₁+x₆d₂      (8)其中$\begin{array}{ccc}{x}_1=U_{in}({\mathrm{nU}}_{in}-U_o);& x_2=-{\mathrm{nU}}_{in}^2;& x_3={\mathrm{nU}}_{in}^3{U}_o\end{array};$$\begin{array}{ccc}{x}_4=\frac{4{\mathrm{nU}}_{in}{U}_o{\mathrm{LI}}_o({\mathrm{nU}}_{in}-U_o)}{T_S};& x_5=\frac{{\mathrm{nU}}_{in}}{U_o};& x_6=\frac{({\mathrm{nU}}_{in}-U_o)}{U_o}\end{array}$仅在第二模态与第三模态时，电感电流i_L才能流到负载侧。因此，如果d₂+d₃的值较大，则相同负载电流的情况下，电流就较平滑，开关器件承受的电流有效值也较小；令y＝d₂+d₃，则求y取得最大值时的d₁、d₂、d₃的值，因此下面就要求y的最大值；将(7)、(8)代入y的表达式，得$y=x_5{d}_1+(1+x_6)\frac{x_2{d}_1+\sqrt{x_3{d}_1^2+x_4}}{x_1}---\left(9\right)$对(9)求d₁的导数，得$\frac{dy}{d\left(d_1\right)}=x_5+\frac{x_2(1+x_6)}{x_1}+\frac{x_3(1+x_6)d_1}{x_1\sqrt{x_3{d}_1^2+x_4}}=\frac{x_2}{x_1}+\frac{x_3(1+x_6)d_1}{x_1\sqrt{x_3{d}_1^2+x_4}}---\left(10\right)$令(10)式等于0，得到一段区间内y取得极值时，d₁的对应的值为d_1y$d_{1y}=\sqrt{\frac{x_4{x}_2^2}{{(x_3+x_3{x}_6)}^2-x_3{x}_2^2}}---\left(11\right)$根据nU_in与U_o的关系，以及所求解的大小，有三种情况I.nU_in≥U_o此时，除x₂<0外，x₁、x₃～x₆都大于零，因此式(7)中根号里面的量自动大于零，而要保证d₂大于零，d₁必须满足$d_{1x1}=0\&le;d_1\&le;\sqrt{\frac{x_4}{(x_2^2-x_3)}}=d_{1z1}---\left(12\right)$将d_1x1、d_1y、d_1z1代入式(9)，取其最大值对应的量为d₁的值，再分别根据(7)、(8)求得d₂、d₃的值。II.nU_in＜U_o此时，除x₁、x₂、x₄、x₆都小于0，x₃、x₅大于零，因此除要保证d₂大于零外，还要保证式(7)中根号里面的量大于零，必须满足$d_{1x2}=\sqrt{\frac{-x_4}{x_3}}\&le;d_1\&le;\sqrt{\frac{-x_4}{(x_3-x_2^2)}}=d_{1z2}---\left(13\right)$将d_1x2、d_1y、d_1z2代入式(9)，取其最大值对应的量为d₁的值，再分别根据(7)、(8)求得d₂、d₃的值。还有一种可能，当代入数据计算得到d₁+d₂+d₃>1时，说明需要变开关频率才能实现，为实现恒频，必须将d₁+d₂+d₃的值限制在1，并将该限制作为求解d₁的条件；III.d₁+d₂+d₃＝1此时d₃＝1‑d₁‑d₂      (14)在此情况下，式(4)仍满足，将(4)代入(14)，得$d_2=\frac{U_o-({\mathrm{nU}}_{in}+U_o)d_1}{{\mathrm{nU}}_{in}}---\left(15\right)$要保证d₂>0，则满足$d_1\&le;\frac{U_o}{{\mathrm{nU}}_{in}+U_o}---\left(16\right)$此情况下，式(6)的关系仍满足，将(15)代入(6)，得$(n^2{U}_{in}^2+{\mathrm{nU}}_{in}|u_G|+{U_o}^2)d_1^2-2{U_o}^2{d}_1+{U_o}^2-{\mathrm{nU}}_{in}{U_o}^2+\frac{4n^3{U}_{in}{\mathrm{Li}}^{*}}{T_S}=0---\left(17\right)$根据(16)的约束条件，得$d_1=\frac{-b-\sqrt{b^2-4ac}}{2a}---\left(18\right)$其中$\begin{array}{ccc}a=n^2{U}_{in}^2+{\mathrm{nU}}_{in}{U}_o+{U_o}^2,& b=-2{U_o}^2,& c={U_o}^2-{\mathrm{nU}}_{in}{U}_o+\frac{4n^3{U}_{in}{\mathrm{LI}}_o}{T_S}\end{array}$然后根据(14)、(15)求得d₂与d₃；根据上述三种计算的情况，最终选取一种情况下得到的d₁、d₂与d₃作为最终的前3个模态的调制比，如果d₁+d₂+d₃＝1，则d₄＝0；如果d₁+d₂+d₃<1，则d₄＝1‑(d₁+d₂+d₃)，并将d₁、d₂、d₃与d₄作为源信号，直接通过调制策略实现开关管的驱动信号。