一种三端口双有源桥变换器的建模方法

1.本发明涉及电力电子电路领域，具体涉及一种三端口双有源桥变换器的建模方法。


背景技术：

2.近年来，随着分布式光伏发电，电动汽车等技术的发展，多端口变换器受到了很大关注。相比于传统多个双向dc-dc变换器组合连接，多端口变换器结构简单，集成度高，可以取代多个独立的双向dc-dc变换器，不仅可以满足各端口能量的双向流动，还可以简化电路结构，减小电力电子装置体积，提升变换器效率，具有很大优势。三端口双有源桥(triple active bridge，tab)变换器作为多端口变换器的一种，除了具有三端口变换器的优势以外，在结构上具有对称性，更易于实现开关管zvs软开关，同时，其变压器能够实现电压匹配和电气隔离，变压器漏感也用于传输功率，变压器得到了充分利用。tab变换器已成为分布式光伏发电和电动汽车应用领域的研究热点之一。
3.相较于双有源桥(dual-active-bridge，dab)变换器，由于tab变换器端口的增加，工作模式呈指数增长，其控制自由度也成倍增加，控制难度加大，基于dab变换器的分段线性法和工作模式分析也会变得复杂，导致tab变换器建模和分析难度大。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出一种利用戴维南等效定理和叠加定理将tab变换器类比并折算为dab变换器的建模方法，采用端口折算方法，得到y型等效网络，利用戴维南等效定理和线性电路叠加定理，将三端口y型等效网络折算为二端口网络，进而将tab变换器折算为dab变换器进行控制，简化了电路模型，避免了解耦控制的复杂性，同时，也确保了zvs软开关和功率计算的性能。
5.本发明具体技术方案为：步骤一，根据二端口功率传输定理，将tab变换器的变压器二次侧折算到一次侧，得到y型三端口等效电路；步骤二，将y型三端口等效电路的三端口公共连接点作为输出端口，利用戴维南等效定理和叠加定理，将其中的两个端口折算到一起，然后再与另外的第三个端口串联，从而将tab变换器简化为dab变换器进行分析。
6.优选地，步骤二中将端口1和端口3折算到一起，然后与端口2串联。
7.由于dab在拓扑上具有对称性，tab折算后等效拓扑也具有类似性质，即软开关特性及功率传输特性在分析上也有对称性。参考dab功率特性推导求得tab在各种模式下的传输功率表达式；参考dab软开关条件推导求得tab在各种模式下的软开关的限制条件。
8.本发明具有下述功能：
9.功能1：三端口双有源桥变换器就可以简化为dab变换器进行分析，简化了电路模型，避免了三端口网络互相耦合的问题。
10.功能2：本发明建模方法可以分析tab变换器软开关特性和功率特性。
11.功能3：本发明的建模方法具有通用性，不仅适用于tab电路拓扑建模，也可对其他
形式多端口电路拓扑建模。
12.本发明提出的三端口双有源桥变换器建模方法模型简单、不存在耦合性问题，并且还可以分析各种模态下的功率特性和软开关限制条件，便于科研和设计人员开发和利用。此外，本发明的建模方法具有通用性，不仅适用于tab电路拓扑建模，也可对其他形式多端口电路拓扑建模。
附图说明
13.图1为本发明tab变换器电路图；
14.图2为本发明tab变换器y型等效电路；
15.图3为本发明tab工作模式；
16.图4为本发明“tab-dab折算方案；
17.图5等效折算电感分析图；
18.图6等效电源电压分析图；
19.图7折算方案的正向功率传输模式波形图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1所示，本发明tab变换器电路图包括三个全桥a、b、c模块、电感以及三绕组高频变压器；其中，三绕组高频变压器匝数比为1∶n1∶n2，l1、l2、l3分别为各端口串联电感，sx为各端口开关管，x取值为1～12；其中，各端口同一桥臂上下开关互补导通，桥内两桥臂移相产生占空比；φ1和φ2分别为全桥a、b及全桥a、c之间的桥间移相角；l1、l2、l3上电流分别用i1、i2、i3表示；三个端口电压分别用v1、v2、v3表示；三个全桥a、b、c桥臂中点电压分别用vac1、vac2和vac3表示。
22.图2是本发明tab变换器的y型等效电路。根据二端口功率传输定理，将二次侧折算到一次侧，将tab变换器二次侧折算到一次侧，得到如图2所示的y型等效电路。
23.其中，l
′2和l
′3分别为副边侧上下两个端口折算到一次侧端口后串联电感；v
′2、v
′3、v
′
ac2
、v
′
ac3
、i
′2、i
′3分别为副边侧上下两个端口折算到一次侧的端口电压、桥臂中点电压和漏感电流。各变量折算关系如下所示：
[0024][0025]
设开关管sx触发时刻流经开关管的电流为isx(x为1～12)，则tab变换器全部开关管zvs软开关条件为：
[0026][0027]
图3是本发明tab变换器的y型等效电路的6种工作模式。以y型等效电路端口1桥臂中点电压作为参考，根据移相角的大小，端口2和端口3桥臂中点电压分为六种工作模式。从图3可以看出，由于tab变换器三个端口之间存在耦合，任意两个端口之间的功率传输均受到第三个端口功率传输的影响，因此，原有dab变换器的控制策略和软开关分析方案并不能直接应用到tab变换器中。采用解耦控制方法较为复杂，否则无法避免第三端口对两端口传输功率的影响，增加了控制的复杂性。
[0028]
图4为本发明的tab-dab折算方案，本文采用端口折算方法，利用戴维南等效定理和叠加定理，将三端口折算为二端口并类比于dab变换器控制策略进行控制。根据戴维南等效定理：含独立电源的线性电阻单口网络n，就端口特性而言，可以等效为一个电压源和电阻串联的单口网络。对于tab电路，若将m点作为输出端口，利用戴维南等效定理将端口1和端口3折算到一起(红色虚线框内所示)，然后再与端口2串联，就可以利用dab控制策略对其进行相关控制。
[0029]
图5为图4tab-dab折算方案等效折算电感分析图；根据戴维南等效定理，将内部独立源vac1、v
′
ac3
置0，从m端口看进去得到等效电感，从图中可以看出，电感l1和电感l3’是并联关系，因此可以得到等效电感：
[0030]
lm＝l1//l3
’ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0031]
图6为图4tab-dab折算方案后等效电源电压分析图。利用叠加定理，可以将m点电位看作vac1、v
′
ac2
单独作用时m点电位相叠加。
[0032]
首先令vac1＝0，根据分压原理，可以得到v
′m的电压为：
[0033][0034]
其次，令v
′
ac3
＝0，根据分压原理，可以得到v
′m的电压为：
[0035][0036]
则可以得到等效电源电压为：
[0037][0038]
为简化分析，以端口1、2、3均不存在桥内移相，则vac1、v
′
ac2
、v
′
ac3
均为方波电压。将端口3和端口1折算到一起，可得到折算后的vm表达式如公式(7)所示。
[0039][0040]
此时端口1和3就就可以折算为一个端口m，其中，独立源等效为vm，电感等效为lm，此时再和端口2相连接，如图4所示。同时，等效独立源vm可看作多电平dab端口。此时三端口双有源桥变换器就可以简化为dab变换器进行分析。
[0041]
可选地，在实际中，为保证端口匹配性，通常令l1＝l
′2＝l
′3。这样，公式(7)可进一步简化为：
[0042][0043]
图7为折算方案的正向功率传输模式波形图。根据折算后的二端口网络桥臂中点移相角φ1和φ2之间的大小及正负关系，将原tab六种工况重新定义，如表1所示。
[0044]
表1 tab-dab等效模态
[0045][0046]
由于dab在拓扑上具有对称性，tab折算后等效拓扑也具有类似性质，即软开关特性及功率传输特性在分析上也有对称性。因此，将模式一、二、四看作正向传输模式(对应为实际运行中端口1和端口3为源，端口2为载)，模式五、六、三可看作反向传输模式，文章只对正向模式进行软开关和功率特性进行分析。
[0047]
根据图7所示折算后等效桥臂中点电压波形和电流波形，参考dab功率特性推导求得模式一下传输功率表达式为：
[0048][0049]
其中，
[0050]
同理，可求得模式二下功率传输表达式为：
[0051][0052]
可求得模式四下功率传输表达式为：
[0053]
[0054]
由图7可知，模式1和模式4可等效为ex-eps模式，软开关限制条件为：i
l
(t0)＜0，i
l
(t1)＜0，i
l
(t2)＞0。模式2等效为in-eps模式，软开关限制条件为：i
l
(t0)＜0，i
l
(t1)＞0，i
l
(t2)＜0。以模式一等效eps模式为例，根据折算后电感电流的对称性，可得i
l
(t0)＝-i
l
(t3)，进而可以求得模式一的软开关条件为：
[0055][0056]
同理，可得到模式二软开关限制条件为：
[0057][0058]
可得到模式四软开关限制条件为：
[0059][0060]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种三端口双有源桥变换器的建模方法，其特征在于：步骤一，根据二端口功率传输定理，将三端口双有源桥变换器的变压器二次侧折算到一次侧，得到y型三端口等效电路；步骤二，将y型三端口等效电路的三端口公共连接点作为输出端口，利用戴维南等效定理和叠加定理，将其中的两个端口折算到一起，然后与另外的第三个端口串联，从而将三端口双有源桥变换器折算为双有源桥变换器。2.根据权利要求1所述的一种三端口双有源桥变换器的建模方法，其特征在于：所述步骤二中，将端口1和端口3折算到一起，然后与端口2串联。3.根据权利要求2所述的一种三端口双有源桥变换器的建模方法，其特征在于：所述三端口双有源桥变换器包括三个全桥a、b、c模块、电感以及三绕组高频变压器；其中，三绕组高频变压器匝数比为1∶n1∶n2，l1、l2、l3分别为各端口串联电感，sx为各端口开关管，x取值为1～12；其中，各端口同一桥臂上下开关互补导通，桥内两桥臂移相产生占空比；φ1和φ2分别为全桥a、b及全桥a、c之间的桥间移相角；l1、l2、l3上电流分别用i1、i2、i3表示；三个端口电压分别用v1、v2、v3表示；三个全桥a、b、c桥臂中点电压分别用vac1、vac2和vac3表示。4.根据权利要求3所述的一种三端口双有源桥变换器的建模方法，其特征在于：所述y型三端口等效电路中，l
′2和l
′3分别为二次侧上下两个端口折算到一次侧端口后串联电感；v
′2、v
′3、v
′
oc2
、v
′
oc3
、i
′2、i
′3分别为副边侧上下两个端口折算到一次侧的端口电压、桥臂中点电压和漏感电流；其中，5.根据权利要求4所述的一种三端口双有源桥变换器的建模方法，其特征在于：lm为将所述y型三端口等效电路折算为双有源桥变换器后的等效电感；vm为将所述y型三端口等效电路折算为双有源桥变换器后的等效电源电压；其中，l
m
＝l1//l3′

技术总结
本发明公开了一种三端口双有源桥(Triple Active Bridge，TAB)变换器的建模方法，步骤一，根据二端口功率传输定理，将TAB变换器二次侧折算到一次侧，得到Y型等效电路；步骤二，将TAB变换器三端口公共连接点作为输出端口，利用戴维南等效定理和叠加定理，将端口1和端口3折算到一起，然后再与端口2串联，此时三端口双有源桥变换器就折算为双有源桥(Dual-Active-Bridge，DAB)变换器变换器。本发明提出的利用戴维南等效定理和叠加定理将TAB变换器类比并折算为DAB变换器的建模方法，简化了电路模型，避免了解耦控制的复杂性，同时，又确保了ZVS软开关以及功率特性的计算，便于科研和设计人员研究和开发。此外本发明的建模方法具有一定的通用性，可对其他形式多端口电路拓扑建模。可对其他形式多端口电路拓扑建模。可对其他形式多端口电路拓扑建模。


技术研发人员：孟德越 唐福顺
受保护的技术使用者：沧州师范学院
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/7/13