用于六管Buck-Boost变换器的软开关控制方法及控制器

本发明属于电力电子变换与控制领域，更具体地，涉及一种用于六管buck-boost变换器的软开关控制方法及控制器。

背景技术：

1、在常见的储能系统中，双向dc/dc变换器是实现电压变换和电能传输的关键设备。随着储能装置电压等级的提升，对双向dc/dc储能侧端口提出了更高的承压能力要求，因此，通常采用三电平桥臂替换传统四管buck-boost变换器中的两电平桥臂，构成新的六管buck-boost变换器。相较于中点钳位型三电平、级联型三电平结构，飞跨电容三电平构成的六管buck-boost变换器具有输入输出共地、开关时序不受限制的优势，更适合于高压大功率场合。

2、目前，针对六管buck-boost变换器的研究集中在模型预测控制(mpc)和多模式控制，均为硬开关控制策略。为了克服传统采用硬开关控制方式在高压大功率工作场景下，导致的开关损耗高、装置效率低的问题，可以采用零电压开关(zvs)，消除开关开通时候的损耗。在不增加额外辅助软开关回路的条件下，实现全部开关器件软开关相较于传统硬开关方法会增大电感电流脉动，造成导通损耗增加。

3、因此，为了提高六管buck-boost变换器的工作效率与功率密度，如何实现全器件软开关控制，并且在此基础上降低电感电流脉动，具有重要研究意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于六管buck-boost变换器的软开关控制方法及控制器，其目的在于减小开关损耗的同时降低电感电流脉动带来的导通损耗，提高六管buck-boost变换器的工作效率与功率密度。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于六管buck-boost变换器的软开关控制方法，所述六管buck-boost变换器包括三电平桥臂、两电平桥臂、电感和飞跨电容；三电平桥臂包括依次连接的开关管qa1、qa2、qa3和qa4，两电平桥臂包括依次连接的开关管qb1和qb2；电感的一端连接qa2和qa3的连接点，另一端连接qb1和qb2的连接点；飞跨电容的一端连接qa1和qa2的连接点，另一端连接qa3和qa4的连接点；方法包括：以两个电感电流周期为一个开关周期，各开关周期内，qa4和qa1互补导通，qa3和qa2互补导通，qb2和qb1互补导通；各开关周期的第一个电感电流周期内，开始时刻qa1和qa2同时导通，qa1导通第一时间段后关断，qa2导通第二时间段后关断，开始时刻qb1关断，在qa3和qa4导通之前导通qb1，在qa4源极电流的绝对值大于零电压开通电流时关断qb1；各开关周期的第二个电感电流周期内，qa1、qa2的驱动信号分别对应与第一个电感电流周期内qa2、qa1的驱动信号相同，开始时刻qb1关断，在qa3和qa4导通之前导通qb1，在qa4源极电流的绝对值大于零电压开通电流时关断qb1；其中，所述第一时间段和所述第二时间段通过以下方式得到：以电感电流的脉动最小为目标，各开关管软开关为约束，计算得到。

3、更进一步地，所述第一时间段和所述第二时间段的计算方式具体包括：sa1，根据六管buck-boost变换器的输入电压vin、输出电压vout和输出电流参考值iout，判断其所处的工况；sa2，根据六管buck-boost变换器所处的工况，以电感电流的脉动最小为目标，各开关管软开关为约束，计算一个电感电流周期内各模态的占比；sa3，根据0.5vin与飞跨电容电压之间的差值进行pi控制，pi控制所得结果经限幅后得到占空比补偿值△d，利用△d对第三模态的占比进行补偿；sa4，根据第一模态的占比、第二模态的占比以及补偿后第三模态的占比，计算qa1的导通占空比da1和qa2的导通占空比da2，其中，第一模态是指va＝vin且vb＝0的模态，第二模态是指va＝vin且vb＝vout的模态，第三模态是指va＝0.5vin且vb＝vout的模态，va为三电平桥臂的输出电压，vb为两电平桥臂的输出电压；sa5，计算da1对应的第一时间段，以及da2对应的第二时间段。

4、更进一步地，所述sa1具体包括：当vin>vout时，若iout>iout1六管buck-boost变换器处于第一工况，若iout2<iout≤iout1处于第二工况，若iout≤iout2处于第三工况；当vin≤vout时，若iout>iout3六管buck-boost变换器处于第四工况，若iout≤iout3处于第五工况；iout1、iout2和iout3分别为：

5、

6、其中，iout1为第一边界电流，iout2为第二边界电流，iout3为第三边界电流，k为输出电压与输入电压的比值，izvs为零电压开通电流，l为电感值，ts为电感电流周期。

7、更进一步地，补偿后第三模态的占比为：

8、d3_1＝d3+△d

9、da1和da2分别为：

10、da1＝d1+d2

11、da2＝d1+d2+d3_1

12、其中，d3_1为补偿后第三模态的占比，d3为补偿前第三模态的占比，d2为第二模态的占比，d1为第一模态的占比。

13、更进一步地，补偿后第三模态的占比为：

14、d3_1＝d3-△d

15、da1和da2分别为：

16、da1＝d1+d2+d3_1

17、da2＝d1+d2

18、其中，d3_1为补偿后第三模态的占比，d3为补偿前第三模态的占比，d2为第二模态的占比，d1为第一模态的占比。

19、更进一步地，方法还包括：计算qb1的占空比db1和导通移相角度φb1，根据db1和控制qb1的通断，db1和分别为：

20、db1＝d2+d3_1+d4

21、

22、其中，d1为第一模态的占比，d2为第二模态的占比，d3_1为补偿后第三模态的占比，d4为第四模态的占比。

23、更进一步地，控制开关管qa1、qa2、qa3、qa4、qb1和qb2通断的过程中，设置有死区时间。

24、按照本发明的另一个方面，提供了一种用于六管buck-boost变换器的软开关控制器，用于执行如上所述的用于六管buck-boost变换器的软开关控制方法。

25、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

26、(1)提供了一种用于六管buck-boost变换器的软开关控制方法，针对六管buck-boost变换器，本方法以各开关管实现零电压导通为约束，利用开关器件占空比以及移相角度的自由度，对电感电流脉动进行优化使其达到最小，按照本方法对各开关管的通断进行控制，能够在实现全范围软开关的前提下，减小电感电流脉动，降低电感电流脉动带来的导通损耗，有效减小了电感与开关器件的导通损耗，减小了电感体积，提升了功率密度；

27、(2)提供了一种驱动信号占空比具体计算方式，利用输入电压、输出电压与输出功率参考值判断变换器所处工况，利用输入电压与输出功率以及工作区域信号计算各开关管的占空比与移相角度，通过飞跨电容电压闭环控制对开关占空比进行补偿，实现飞跨电容电压跟随，根据补偿后的开关管占空比与移相角度，产生载波与调制波以控制各开关管的通断，提高了变换器的工作效率。