[发明专利]双向混合桥DC-DC变换器及半周期伏秒面积平衡控制方法

摘要

本发明公开的一种双向混合桥DC‑DC变换器及半周期伏秒面积平衡控制方法，属于电力电子领域的高频开关电源方向。本发明公开的双向混合桥DC‑DC变换器由主电路和控制电路组成；所述主电路由输入侧、高频变压器以及输出侧组成；控制电路包括控制器和驱动电路。基于提出的双向混合桥DC‑DC变换器，采用半周期伏秒面积平衡控制。通过同时调节输入侧的占空比以及半周期伏秒面积平衡控制能减小在功率不传递的阶段漏感电流有效值，降低无功电流，从而降低电流造成的电路通态损耗和环流损耗，同时也能实现各个开关管器件的宽范围软开关。另外，通过半周期伏秒面积平衡控制能在实现双向功率流的实时控制的同时，降低控制单元的复杂程度。

主权项

1.一种用于对双向混合桥DC‑DC变换器控制的半周期伏秒面积控制方法，其特征在于：双向混合桥DC‑DC变换器主要由主电路和控制电路组成；主电路主要由输入侧、高频变压器以及输出侧构成，输入侧用于将输入的低压进行高频逆变，高频变压器用于实现电气隔离以及增益调整；输出侧用于对变压器交流电压的整形，实现额定电压输出；所述的输入侧为由高频直流电容(C11,C12)和开关管(S1、S2、S3、S4、S5、S6)组成的混合桥电路，输出侧为传统半桥电路，包括开关管(Q1、Q2)和电容(C21、C22)；主电路连接关系是：输入侧的高频直流电容C11和电容C12串联连接，电容C11和电容C12的连接点为O点；其中电容C11的另一端与输入电源正极相接，电容C12的另一端与输入电源的负极相接；开关管S1的漏极与开关管S3的漏极相连，并且与输入电源正极相连接；同时，开关管S2的源极以及开关管S4的源极相连，并且与输入电源的负极相连接；开关管S1的源极与开关管S2的漏极连接于A点，开关管S3的源极与开关管S4的漏极连接于B点；开关管S6的漏极与电容C11和电容C12通过O点连接，其的源极与开关管S5的源极相连接；开关管S5的漏极与开关管S3的源极连接于B点；高频变压器一次侧一端与开关管S1的源极连接与A点，另一端与开关管S3的源极连接与B点；高频变压器的二次侧一端为C点，另一端为D点；开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极与变压器二次侧C点相接，高频电容C21的一端与电容 C22的一端都与变压器二次侧的D点相接；高频电容C21的另一端连接至输出的正极，高频电容C22的另一端连接至输出的负极；同时，开关管Q1的漏极与输出的正极相连，开关管Q2的源极与输出的负极相连；DC‑DC变换器控制电路主要由控制器、驱动产生单元和驱动电路构成；控制器是以DSP控制器为核心，用于对由传感器采样得到的电压采样信号进行转换，并依据半周期伏秒面积平衡控制方法得到输入侧占空比控制信号d₁以及移相角控制信号驱动产生单元根据上述控制器所得到的移相角控制信号以及占空比控制信号d₁产生对应的驱动信号；驱动电路用于接收来自驱动产生单元的PWM驱动信号，经过隔离和电压增强后为主电路的开关管(S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、Q₁、Q₂)提供驱动电压；进而实现对输出电压的调节，再由传感器采样该调节后的输出电压，控制器对由传感器采样得到的电压采样信号进行转换，通过闭环控制来实现调节实际电路的输入侧占空比控制信号及输入侧和输出侧电压之间的移相角；所述半周期伏秒面积控制方法，包括输出电压控制环和半周期伏秒面积平衡控制两个控制环路；其中，输出电压控制环路通过将输出侧直流电压的给定V_ref与实际输出侧直流电压采样值V₂的差值作为输出电压控制器的输入，输出电压控制环路的输出用于调节变压器一次侧电压v_AB和变压器二次侧电压v_CD之间的移相角控制信号从而实现输出电压的闭环控制，以及功率流的双向控制；半周期伏秒面积平衡控制环路通过输入侧PWM控制环的调节，调节输入侧开关管(S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆)的占空比控制信号d1，使加在变压器一次侧电压正半周期的伏秒面积与变压器折算到一次侧的二次侧电压正半周期伏秒面积相等；包括输出电压控制环和半周期伏秒面积平衡控制两个控制环路，具体控制步骤如下：步骤一、确定双向混合桥DC‑DC变换器输出侧直流输出电压给定Vref；步骤二、对双向混合桥DC‑DC变换器的输入侧与输出侧的有源桥直流电压进行采样，分别记为V₁和V₂；计算输出电压给定值V_ref与V₂的差值，所述的差值作为输出电压调节器的输入；所述输出电压调节器的输出作为变压器一次侧电压v_AB和变压器二次侧电压v_CD之间的移相角控制信号步骤三、根据公式(1)中的半周期伏秒面积平衡公式，计算输入侧电路的占空比控制信号d1；d1＝(nV2)/(2V1)‑0.5      (1)其中n：1为变压器的一次侧对二次侧的匝数比；步骤四、根据移相角控制信号控制变压器一次侧电压v_AB的控制信号d₁，产生开关管的驱动信号，从而控制双向混合桥DC‑DC变换器的变压器一次侧电压和折合到一次侧的变压器二次侧电压正半周期伏秒面积相等，从而实现宽电压增益下的开关器件软开关以及减小无功损耗和漏感电流有效值，降低电流造成的电路通态损耗和环流损耗。