三端口固态变压器谐振槽的阻抗匹配与死区时间优化方法

本发明涉及电力电子，具体涉及一种三端口固态变压器谐振槽的阻抗匹配与死区时间优化方法。

背景技术：

1、近年来，随着新能源发电技术的不断成熟，应用于新能源直流微电网系统中的多端口固态变压器因其突出的优势受到广泛的关注。三端口固态变压器可以以固定的开关频率和接近50％占空比进行开环运行，并且在整个负载范围内均可以实现输入侧开关管零电压开通(zvs)与输出侧开关管的零电流关断(zcs)。当开关频率接近谐振频率时，三端口固态变压器具有良好的负载调节特性，开关频率的提高可以有效减小三端口固态变压器和谐振电感的体积，进而可以实现更高的功率密度。

2、目前，三端口固态变压器的优化设计难点主要集中于以下两个方面：(1)分布式谐振槽的阻抗匹配；(2)死区时间和励磁电感的优化选取。因此，优化设计的核心是如何匹配分布式谐振槽的阻抗以及选择最优的死区时间和励磁电感使得三端口固态变压器的负载调节特性更好、端口电压变化率更低及三端口固态变压器的整体效率更高。阻抗匹配的优劣主要影响三端口固态变压器的负载调节和端口电压调整率，死区时间和励磁电感主要影响分布式谐振槽的输入输出电流有效值进而影响三端口固态变压器的整体效率。现有研究主要采用求解三元一次不等式组来确定分布式谐振槽的谐振电感的范围，进而确定分布式谐振槽的谐振参数；这种设计方法的不足表现在：端口谐振电感值的确定模糊；而且这种设计方法的分布式谐振槽的阻抗得不到很好的匹配，从而导致端口的直流电压变化率较大，负载调节特性较差。对于死区时间和励磁电感的优化选取，目前研究还没有提出十分明确的确定方法。

3、因此，为了更好的发挥三端口固态变压器在直流微电网系统中的优势，本发明提出一种三端口固态变压器谐振槽的阻抗匹配与死区时间优化方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷，本发明拟解决的技术问题是，提出了一种三端口固态变压器谐振槽的阻抗匹配与死区时间优化方法。

2、本发明解决所述技术问题采用以下的技术方案：

3、一种三端口固态变压器谐振槽的阻抗匹配与死区时间优化方法，其特征在于，包括以下内容：

4、计算各端口谐振槽的等效特性阻抗，其中低压端口谐振槽的等效特性阻抗zreq,a为：

5、

6、其中，zr1,zr2,zr3分别为低压端口、中压端口以及高压端口谐振槽的特性阻抗，n1-2为三绕组高频变压器的中压绕组与低压绕组的匝数比，n1-3为三绕组高频变压器的高压绕组与低压绕组的匝数比；

7、中压端口和高压端口谐振槽的等效特性阻抗zreq,b和zreq,c分别为：

8、

9、

10、其中，n2-1为三绕组高频变压器的低压绕组与中压绕组的匝数比，n2-3为三绕组高频变压器的高压绕组与中压绕组的匝数比，n3-1为三绕组高频变压器的低压绕组与高压绕组的匝数比，n3-2为三绕组高频变压器的中压绕组与高压绕组间的匝数比；

11、令各端口谐振槽的等效特性阻抗相等，得到分布式谐振槽的特性阻抗和谐振电感关系分别为：

12、

13、

14、根据式(13)～(14)计算低压端口的谐振电感lr1；

15、lm1＝lm,max,a×(60％～80％) (13)

16、

17、式中，lm1为低压端口的实际励磁电感，lm1，max,a为各端口实现zvs时低压端口的最大励磁电感，k为电感率；

18、根据低压端口的谐振电感lr1，通过式(10)得到中压端口和高压端口的谐振电感lr2和lr3；再通过式(15)得到各端口的谐振电容，完成阻抗匹配；

19、

20、式中，fr是谐振频率；

21、三端口固态变压器包括单端输入单端输出、单端输入双端输出和双端输入单端输出三种运行模式，根据不同运行模式下分布式谐振槽输入电流有效值与死区时间的关系，绘制不同运行模式及满载条件下分布式谐振槽输入电流有效值的标幺值与死区时间的关系曲线，从曲线中获取每种运行模式满载条件下，分布式谐振槽输入电流有效值最小时的死区时间，以该死区时间为基准，向左缩小20％，向右放大50％，得到死区时间优化区间；将三种运行模式满载条件下的死区时间优化区间取交集，得到三端口固态变压器的最优死区时间区间；从最优死区时间区间内任取一点即为最优死区时间。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、1.本发明提出的分布式谐振槽阻抗匹配与谐振参数计算方法不需要求解多变量不等式组来确定各端口的谐振电感和谐振电容值，因此简化了三端口固态变压器分布式谐振槽的阻抗匹配与谐振参数设计过程。

24、2.本发明首先计算了分布式谐振槽归算到各个端口的谐振槽等效特性阻抗，并结合谐振槽在不同品质因数下直流增益特性曲线，令各端口谐振槽的等效特性阻抗相等，进而得到各个端口谐振电感间的关系；再根据各端口的最大励磁电感确定低压端口的实际励磁电感，进而得到各端口的谐振电感值，最后根据各端口谐振电感以及谐振频率计算出各个端口所需要的谐振电容值以完成分布式谐振槽的阻抗匹配与谐振参数计算过程，这种阻抗匹配方法提高了三端口固态变压器分布式谐振槽的阻抗匹配度，进而改善了不同运行模式下的负载调节特性与端口电压变化率。

25、3.本发明提出的死区时间与励磁电感优化方法，提高了三端口固态变压器在三种运行模式下的整体效率，为三端口固态变压器的效率优化提供技术支撑。

技术特征：

1.一种三端口固态变压器谐振槽的阻抗匹配与死区时间优化方法，其特征在于，包括以下内容：

2.根据权利要求1所述的三端口固态变压器谐振槽的阻抗匹配与死区时间优化方法，其特征在于，各端口实现zvs时低压端口的最大励磁电感满足下式：

3.根据权利要求1或2所述的三端口固态变压器谐振槽的阻抗匹配与死区时间优化方法，其特征在于，在单端输入单端输出模式下，令输入端口为i，输出端口为o，则分布式谐振槽输入电流有效值与死区时间的关系为：

4.根据权利要求1所述的三端口固态变压器谐振槽的阻抗匹配与死区时间优化方法，其特征在于，根据式(16)计算输入端口的励磁电感lm：

技术总结
本发明公开了一种三端口固态变压器谐振槽的阻抗匹配与死区时间优化方法，首先将其中两个端口的等效特性阻抗归算到另一个端口的等效特性电路中，计算各端口谐振槽的等效特性阻抗；令各端口谐振槽的等效特性阻抗相等，得到分布式谐振槽的特性阻抗和谐振电感关系；计算低压端口的谐振电感，根据谐振电感关系得到中、高压端口的谐振电感；再根据各端口的谐振电感得到谐振电容，完成阻抗匹配。绘制不同运行模式及满载条件下分布式谐振槽输入电流有效值的标幺值与死区时间的关系曲线，获取每种运行模式满载条件下分布式谐振槽输入电流有效值最小时的死区时间，以该死区时间为基准进行区间缩放，得到死区时间优化区间；将所有运行模式满载条件下的死区时间优化区间取交集，得到三端口固态变压器的最优死区时间区间。该方法简化了阻抗匹配与谐振参数设计过程，提高了阻抗匹配度，改善了负载调节特性与端口电压变化率。

技术研发人员：赵剑,张哲,谭建鑫,井延伟,郭艳旬
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/2