隔離三端口變換器軟開關(guān)分析與實驗.docxVIP

1、DOI:IO.I199l/yykj.2OI9IIOI4網(wǎng)絡(luò)出版地址:隔離三端口變換器軟開關(guān)分析與實驗趙君力北京機電工程研究所，北京100083摘要：為了進一步提高隔離型三端口變換器的變換效率和功率密度，減小功率變換器的體積，本文對隔離型三端口變換器實現(xiàn)軟開通的條件及范圍進行了研充。推導(dǎo)并得出了在移相調(diào)制方式下獲得各端口全橋變換器開關(guān)管實現(xiàn)軟開通的解析表達式，并通過仿真和實驗室搭建的隔離型三端口變換器硬件試驗電路進行了驗證。仿直和實驗結(jié)果與理論分析吻合，有助于實際系統(tǒng)研制時的輔助設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化。關(guān)鍵詞：三端口變換器：電氣隔離；電壓匹配：軟開關(guān)：變換效率；雙有源橋：調(diào)制策略中圖分類號：TM46文獻

2、標志碼：A文章編號：1009-671X(2020)03-0087-07Softswitchinganalysisandexperimentofisolatedthree-portconverterZHAOJunliBeijingResearchInstituteofMechanicalandElectricalTechnology,Beijing100083,ChinaAbstract:Inordertoimprovetheconversionefficiencyandpowerdensityoftheisolatedthrcc-portconverterandreducethevolumeo

3、fthepowerconverter,theconditionsandscopeofthesoftturn-onoftheisolatedthree-portconverterareanalyzedinthispaper.Theanalyticalexpressionforsoftswitchingoffull-bridgeconverterswitchineachportisderivedandobtainedunderphase-shiftmodulationmode,andthecorrectnessoftheoreticalanalysisandsimulationresultsare

4、validatedbasedonthehardwaretestcircuitofisolatedthree-portconverterbuiltinthelaboratory.Thesimulationandexperimentalresultsareconsistentwiththetheoreticalanalysis,whichishelpfulfortheauxiliarydesignandparameteroptimizationwhentheactualsystemisdeveloped.Keywords:thrcc-portconverter;electricalisolatio

5、n;voltagematching;softswitching;conversionefficiency;doubleactivebridge;modulationstrategy近年來，隔離型三端口變換器在新能源發(fā)電、混合動力汽車、燃料電池汽車以及儲能系統(tǒng)應(yīng)用等需要同時連接和控制多個電源或者負載的場合中受到越來越廣泛的關(guān)注，是電力電子技術(shù)研究領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點問題I】。隔離型三端口變換器通過三繞組高頻變壓器進行能量的傳遞，具有電氣隔離、能夠自由匹配電壓等級等諸多優(yōu)點。通過合理的設(shè)計變壓器匝數(shù)比，隔離型三端II變換器可以實現(xiàn)在不同電壓等級之間的電能傳輸，并且可以實現(xiàn)各個端口全橋變換器的軟開關(guān)

6、運行件7】。這對于提高功率變換器效率、降低損耗、提高功率密度是非常有益的。然而當端口電壓或者負載功率在比較寬的范圍變化時,會出現(xiàn)收稿口期：2019-11-13,網(wǎng)絡(luò)出版日期:2020-05-28.基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項PI(GK2O4O26O213).作者簡介：趙君力，男，高級工程師.通信作者：趙君力，E-mail：zhaojunli006.1個或者2個端口不能實現(xiàn)軟開關(guān)的情況，導(dǎo)致開關(guān)損耗增加I8-,0Jo因此在三端I變換器設(shè)計階段，通過理論分析可以準確地確定出在端口電壓和負載功率變化情況下的三端口變換器軟開關(guān)范圍，這是一件非常有意義的工作，有助于整個變換器系統(tǒng)效率和功率密度設(shè)計

7、的優(yōu)化。本文通過分析隔離三端口變換器各端口與全橋變換器連接的變壓器繞組中的電流波形和全橋變換器橋臂中點電壓波形之間的關(guān)系，通過理論計算得出全橋變換器各開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)運行的條件，進而利用MATLAB軟件形象地繪制在特定電氣參數(shù)條件下實現(xiàn)功率器件軟開關(guān)的范圍，并通過仿真和實際硬件電路實驗進行驗證。1拓撲結(jié)構(gòu)與軟開關(guān)分析本文所研究的隔離型三端口變換器如圖1所示。圖中端口1為輸入電源端口(可以為新能源發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池板等)。其全橋開關(guān)管為SlS,其中S.和S,.&和S4均工作在互補狀態(tài)，占空比均為50%。橋膂A和橋臂B之間的移相角為180。端口2和端口3分別為負載端口和儲能端口，其開關(guān)管

8、的工作模式與端口1的情況完全一致。端口2和端口3對應(yīng)的參數(shù)都折算到端口1,可得到圖1(b)所示的連接的等效電路IE,如圖中v'分別為v和u折算到端口1的對應(yīng)橋2323臂中點電壓。端口1ha(a)隔離型TPC拓撲圖I隔離型三端口變換器以峪為參考，巧(蜀和巧(訂)與V|之間的移相角分別為枷和枷，它們之間的關(guān)系可以用圖1(C)來表示。圖1(a)中的心、乙和乙分別為3個端口與變壓器繞組串聯(lián)的電感，經(jīng)變換后得到在圖1(b)所示的連接的等效電路中的兒、乙3和L32,可表示為L2=Li+Z/2+LL、/L?乙32=L、+Lb+L%L3/L1L=l+L+LU式中LL的表達辛為L；=NLJNL；=&qu

9、ot;/N式中M、M和M分別表示3個端口的繞組匝數(shù)。根據(jù)圖1(b)的等效電路可以看出，隔離型三端口變換器可以看成3個兩兩作用的雙有源橋變換器，因此通過分析雙有源橋變換器中高頻變壓器繞組的電流，可以得出隔離型三端口變換器的各端口電流狀況，進而可以對其實現(xiàn)軟開關(guān)的條件進行分析研究。假設(shè)端II3開路，則可將端口1和端口2可看作一個雙有源橋變換器，如圖2所示。OS'圖2雙有源橋變換器拓撲結(jié)構(gòu)根據(jù)圖2,將端口2參數(shù)折算到端口1,可得到雙有源橋變換器的簡化等效電路模型如圖3所示。圖3雙有源橋變換器的簡化等效電路模型假設(shè)5*表示v,和V/的穩(wěn)態(tài)幅值,其中Vh=VsrV*=，0h，m=NJN。同理可設(shè)

10、V尸n2=M/N。忽略死區(qū)時間，假設(shè)開關(guān)過程瞬時完成，即電流從一個橋臂開關(guān)管轉(zhuǎn)移到另一個橋臂的開關(guān)管瞬時完成，則可得圖4所示的電壓與電流波形。如圖4所示，端口1橋腎中點的電壓超前端口2橋臂中點的電壓，在一個開關(guān)周期中根據(jù)巧和訂的上升和下降邊沿有4種開關(guān)模態(tài)。根據(jù)圖3所示等效電路和圖4所示開關(guān)模態(tài)，可得4種模態(tài)下折算后的端I1繞組中的電流/12：0+GQo），WKhEixz2LWF+應(yīng)），6Cr6同理，可得到為了實現(xiàn)端口2和端口3變換器ZVSON,需滿足條件：'*2（6）=-/32（/5）-/|2（6）06（6）=-I|3（6）+，32（匕）0件%沈2Vg+叱勒"（）S32SI

11、2（5）對應(yīng)有（過程省略）：WL13、（/"）+血）同理可得/:睡賤部糧g耕翹"將濕時3,并假設(shè)Ll2=Ll3=LJ2,根據(jù)式（4）,（5）可以得到:2，）2rl24單4/I；（/,）Vi.）n+2VL.q）i；4兀£&II根據(jù)電流的對稱性可知：/l2（/0=-/|2（/o）,13（人）=T|3（4>）聯(lián)立式（1）,可得ll2和hy在Z和h時刻（轉(zhuǎn)折點處）的值分別為一四+2皿/|2（/o）=-（i）=-+2V<,4皿.UJ=（VkV|r）7t+2*（p|34”姊根據(jù)圖1（b）,由吟CL定律可得:I=u+13h=h2inh=-Z|3+h2對照圖1

12、（a）以端口1為例。若要實現(xiàn)端口I全橋變換器的零電壓開通（zerovoltageswitchON,ZVSON）,則需要使/,在相位上滯后Vp即4的過零點滯后于略的過零點，這樣可以保證在開關(guān)管觸發(fā)信號到來時刻，其反并聯(lián)二極管處于導(dǎo)通續(xù)流狀態(tài)。例如對應(yīng)v.的下降沿對應(yīng)時刻。需滿足：A（6）=/n（6）+/i3（6）0即有1（1-f/,2）n+2f/i：（pi2+（1一"“）兀+2dn（pm0（2-1）71+2（|）卜+'（而一血）兀+2血（）0（6）（dn-1）tt+2（p“+（瓦-dt2）K+2dl2（p320求解式（6）并化簡整理后可得實現(xiàn)三端口變換器軟開關(guān)的條件為（按照端口

13、1到端口3的順序自上而下排序）12f7t-2（p-+7tdi3-2diJ（pn-（pi3），一、血_2”2（0|兀+2做八Vn-2（Pi2+2（p“或2兀一d?（兀一2（p£n-2（Pi3,2d,7i（兀一2,、）如、jt-2（pi：-（pl3）,（71一2（Pu）+立（71一（p也一9u）2兀（峪一V）7C+2Sr<Pn+（Vlr-Vr）兀+2V標（Pn>04"Ln+4nfiL,3（4）一端口電壓增大，則該端口實現(xiàn)軟開關(guān)范圍變大根據(jù)式（7）,在MATLAB中用m語言編程可形象地繪制出變換器的軟開關(guān)范圍。例如，當固定&和時，可得實現(xiàn)三端口變換器軟開關(guān)（Z

14、VSON）時必與012需要滿足的關(guān)系，如圖5所示。圖5中，陰影部分表示3個端口的變換器可以同時實現(xiàn)ZVSON的范圍。由圖5分析可見,當任意兩端口的移相角和電壓等級確定后，三端口變換器開關(guān)管的ZVSON范圍與各個端口之間的移相角絕對值的大小有密切的關(guān)系，絕對值越大,實現(xiàn)軟開關(guān)范圍也越大。此外，由圖5（a）、（c）和（d）對比可知，三端口變換器軟開關(guān)的范圍與3個端口間電壓相對大?。慈?、如）有關(guān)，某而其他2個端口減??；反之，則該端口實現(xiàn)軟開關(guān)范圍減小而其他2個端口增大。對于隔離三端口變換器而言,d,=l且dn=l時所有端口實現(xiàn)軟開關(guān)的范圍最大l，2-，3）o-9070-50-30101030507

15、090移相角饑2/(°)(b)們3=7.1°、ds=-90-70-50-30-101030507090移相角(c)qi3=2I.7°、di3=l.5-90-70-50-30-101030507090移相角如/(。)(d)仞13=21.7°、而=0.62仿真驗證2.1仿真模型圖5不同條件下軟開關(guān)范圍隔離三端口變換器的仿真模型來驗證上述理論分析的正確性。所搭建的Simulink仿真模型如圖6所示。其中，移相模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示（以PORT2土dcGPORTIFrom5Diode2DiodeFromFrom6DiodeIDiode3FromDlHfClC,

16、礦'PowerguiLineartransformerDCy,GZl>1ICZDnI)m7From9艮From7From9Diode4Diode6PORT3FrcSrlFrSllDiode8Diode10PCFrom12Diode9Diode11Dio<le7Diode5UI>1From10rFrom8OutPSPWM2C,PSPWM3Goto13Goto14czn*5C2PSPWMIGoto16Cioto7Goio9Goto5nOutnlChili圖6Simulink仿真模型利用MATLAB/Sinwlink仿真軟件，通過搭建圖6中的PSPWM2模塊為例）。圖7移相

17、模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖通過對開關(guān)頻率與一個開關(guān)周期(2兀)所對應(yīng)的角度(360°)乘積的積分所產(chǎn)生的斜坡信號與所設(shè)置移相角作差，其結(jié)果以360為模進行取余運算。這樣便產(chǎn)生了頻率為2()kHz、幅值為36()的周期性鋸齒波信號，將其作為我波信號。所產(chǎn)生的脈沖信號用來控制開關(guān)管的通斷。端口1和端口2的移相模塊的輸出波形如圖8所示。/彳好端以-饑2H-饑2調(diào)姑信號-55.4555.5055.5555.60r/ms圖8移相模塊波形->四燃裔驢妲獲堇-S驢妲宓>6可以看出，端口I的載波信號超前于端口2的載波信號。因此，3個端口在相同的調(diào)制信號下(本文為180,即載波幅值的一半，產(chǎn)生50%占

18、空比的脈沖信號)。端口1的開關(guān)管觸發(fā)脈沖將超前于端口2的開關(guān)管觸發(fā)信號，這是因為三端口變換器載波信號之間的相位差即為觸發(fā)信號之間的移相角，從而實現(xiàn)了不同端口之間的移相控制。2.2仿真過程本文分別對2種負載情況進行開環(huán)仿真，仿真參數(shù)如表1所示。情況A為R,=45Q,情況B為R產(chǎn)25。2種情況下負載電壓應(yīng)均保持為180V。通過計算，&=45。時移相角(f),>=35.5°,如=21.7。；而在R,=25Q時如=52°,。尸7.1氣這樣使得在2種負載情況下，端口2的輸出電壓保持不變。如圖5(a)、(b)中的標注所示。觀察工作點A、B可見，處于較輕負載的情況A時，圖5

19、(a)中A點的位于陰影區(qū)所示的公共軟開美區(qū)域之外，根據(jù)式(7)可知端口1和端口2均能實現(xiàn)軟開關(guān)，端口3無法實現(xiàn)ZVSONo當處于較重負載的情況B時，圖5(b)中的B點位于陰影區(qū)域內(nèi)部，故端口1、2和3均能實現(xiàn)ZVSONo表1仿真模型的主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值0/V120Ca/gF1200180W/H55120WpH55即kHz20W/H55戲45、255H100G/nF1200接下來分別對情況A和B進行仿真測試。對于較輕負載的情況A,三端口變換器橋臂中點電壓和變壓器原邊繞組的電流仿真波形如圖9所示。圖9R,=45Q時的電壓和電流仿真波形由圖9可知，在此情況下，端口1和端口2的變壓器繞組電流L和

20、L分別在電壓v.和v2上升沿時為負值，而在電壓崎和”的下降沿時為正，因此端口1和端口2可以實現(xiàn)ZVSON；而端口3變壓器繞組電流h在電壓v,的下降沿時為負值，因此無法實現(xiàn)軟開通。在實際應(yīng)用時，硬關(guān)斷會產(chǎn)生更多的損耗。對于較重負載的情況B,3個端口變換器橋腎中點電壓和變壓器原邊繞組的電流波形圖如圖10所示?？梢?，在此情況下對應(yīng)Vpv2和V.的上升沿,和白均為負值，而在三端口變換器橋臂中點電壓的下降沿時為正值，因此3個端口的全橋變換器的開美管都可以在此情況下實現(xiàn)ZVSONo這與前文理論分析的結(jié)果是吻合的。圖10R/.=25Q時的電壓和電流仿真波形3實驗驗證在其變換器橋臂中點電壓山和V：的上升沿時為

21、負值，而在橋臂中點電壓的下降沿時為正值，因此可以實現(xiàn)ZVSON。而端口3的變壓器繞組電流在其全橋變換器橋臀中點電壓出的下降時為負，因此該變換器在此情況下是硬開通的。圖12&=45Q時的電壓和電流實驗波形對于負載較重的情況B,分別設(shè)置移相角0廣52。、如=7.1。實驗波形如圖13所示。在理論分析和仿真騎證的基礎(chǔ)上，搭建了一臺實驗樣機進行實驗驗i正。隔離三端口變換器的硬件實物圖如圖11所示，硬件電路的主電路部分包括3個相同的控制板、含驅(qū)動電路的全橋變換器、三繞組高頻變壓器、負載電阻、直流輸入電源和蓄電池。控制以STM32F407IGT6控制器為核心，通過其集成的可變靜態(tài)存儲控制器(flex

22、iblestaticmemorycontroller,FMSC)總線與FPGA芯片EP4CE6E22C8接口，由后者產(chǎn)生12路移相控制脈沖信號。圖II硬件實驗電路在實驗過程中,通過STM32F407IGT6設(shè)定各端口的移相角，將這個移相角信號通過FSMC總線傳輸至EP4CE6E22C8芯片。對較輕負載的情況A.分別設(shè)置移相角枷=35.5。、?！?21.7。實驗波形如圖12所示。由圖可知，在此情況下，端口1和端口2的變壓器繞組電流4和A都分別圖13的.-25Q時的電壓和電流實驗波形可見，3個端口的變壓器繞組電流都分別在各變換器橋臀中點電壓的上升沿時為負值，而在各變換器橋臀中點電壓下降沿時為正值，

23、因此3個端口的全橋變換器的開關(guān)管在此情況下都可以工作在ZVSON狀態(tài)。上述實驗結(jié)果表明，理論分析和仿真與實驗測試的結(jié)果具有很好的一致性。4結(jié)論基于隔離三端II變換器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理，本文分析了隔離型三端口變換器實現(xiàn)ZVSON的工作范圍，利用MATLAB/Simulink仿真工具對理論分析進行了驗證，并在此基礎(chǔ)上利用硬件電路對理論分析和仿真的結(jié)果進行了相應(yīng)的驗證。結(jié)果表明：理論分析所得出的特定條件下三端口變換器的軟開關(guān)范圍表達式的準確性得到了仿真和實驗驗證，可以用于實際系統(tǒng)研制時的輔助設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化，有助于整個變換器系統(tǒng)效率和功率密度的提高。參考文獻：1JYOUJiang,LIAOMengy

24、an,FANWeiyan.Linearactivedisturbancerejectioncontrolforisolatedthree-portconverterC/Proceedingsof2018InternationalPowerElectronicsConference,Niigata,2018:1421-1425.2廖夢巖.三端口變換器及其在配電系統(tǒng)中應(yīng)用的研究DJ.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2019:3-7.鄧明杰.隔離型三端口變換器的分析和控制|DJ.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2018:1-6.4 KARANAYILB,CIOBOTARUM.AGELIDISVG.PowerflowmanagementofisolatedmultiportconverterformoreelectricaircraftJJ.IEEEtransactionsonpowerelectronics,2017,32(7):5850-5861.5 儲凱.三端口隔離型雙向直流/直流變換器的設(shè)計與控制D.南京:東南大學(xué),2015:2-10.6 丁勇.基于多端口變換器的電動汽車與電網(wǎng)集成網(wǎng)絡(luò)研究D.合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2015:16-21.7 LIUKH.LEEFCY.Zero-voltageswitchingtechniqueinDC/DCconverters(J).I