一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法与流程

1.本发明涉及双有源全桥电路技术领域，具体涉及一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法。


背景技术：

2.在能源危机和环境污染问题日益严峻的时代背景下，各种各样的双有源全桥电路在分布式新能源发电系统、电动汽车和航空航天中得到了广泛的应用。因此，人们对双有源全桥电路的效率、成本和稳定性提出了更高的要求。然而双有源全桥电路极为复杂，往往有着大量冗余的器件。冗余的器件会导致电路的低效率、高成本和低稳定性，因此，研究者们致力于寻找简化的双有源全桥电路。
3.但是，大多数双有源全桥电路的简化通常严重依赖于研究者的经验或灵感。研究者们对简化的双有源全桥电路有着很好的总结，但没有提出一种系统化的双有源全桥电路化简方法。
4.因此，迫切需要一种系统化的方法来化简双有源全桥电路中的冗余器件。这有助于提高设计效率，并且提高双有源全桥电路的稳定性、能量密度，降低其制造成本。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述问题，提出了一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法。
6.具体地，所述方法包括以下步骤：
7.s1：观测待化简的双有源全桥电路a中各个开关管驱动信号的频率和占空比；
8.s2：判断是否有驱动信号和占空比都相同的第一开关管q1和第二开关管q2，若是，则进入s3，若否，则待化简的双有源全桥a无法被化简；
9.s3：将待化简的双有源全桥电路a建模成为自定义符号矩阵g
c
；
10.s4：将自定义符号矩阵g
c
化简为新的自定义符号矩阵g
c,new
；
11.s5：将新的自定义符号矩阵g
c,new
还原为新的双有源全桥电路a
new
；
12.s6：计算待化简的双有源全桥电路a中被合并的第一开关管q1、第二开关管q2的电流路径p
old
，再计算新的双有源全桥电路a
new
中合并后的第三开关管q3的电流路径p
new
；
13.s7：判断p
old
是否与p
new
相同，若是，则a
new
即为化简后的双有源全桥电路，若否，则待化简的双有源全桥a无法被化简。
14.优选地，s3包括以下步骤：
15.s3.1：将待化简的双有源全桥电路a抽象成自定义符号有向图；
16.s3.2：将自定义符号有向图建模成自定义符号矩阵g
c
。
17.所述自定义符号有向图具体为：
18.每一个电路图都可以被抽象为唯一的自定义符号有向图。一个自定义符号有向图g(v,e)包括两个有限集合v和e，其中，v＝{v1,v2,
…
,v
n
}是所有节点的集合，e＝{e1,e2,
…
,
e
n
}是所有连接节点的边的集合。边的方向取决于边所代表的器件的电气特性，如果电流只能从一个方向流到另一个方向，那么此器件为单向器件，如二极管等，该边为单向边；如果电流在此器件上能够双向流通，那么此器件为双向器件，如电感、电容等，该边为双向边。值的注意的是，由于mos管上会有反并联的体二极管，因此mos管被认为是双向器件。而边的方向为电流能够流通的方向。
19.优选地，s3.1具体为：
20.将待化简的双有源全桥电路a中连接两个器件的节点视为自定义符号有向图的节点。待化简的双有源全桥电路a中的器件被视为自定义符号有向图的边，而它们的方向用箭头表示。
21.所述自定义符号矩阵具体为：
22.每一个自定义符号有向图都可以被建模为唯一的自定义符号矩阵。自定义符号矩阵为n
×
n的矩阵，其中n为自定义符号有向图的节点数。矩阵元素a
ij
定义为：
[0023][0024]
其中，e
ij
是连接节点i和j的器件。例如，如果节点i和节点j之间有电感，则a
ij
＝a
ji
＝l。k为自定义符号有向图的节点数。c和是导通因子，它们只存在于开关q和二极管d前面，c的取值为1或0，c存在于被合并的开关管前面。然后，剩余的二极管和开关管若导通顺序与合并后的开关管相同，将c放置在它们前面；若导通顺序与合并后的开关管相反，则将放置在它们前面。具有c的器件和具有的器件不同时导通。
[0025]
值得注意的是，二极管是单向器件。因此，如果a
ij
＝cd，则a
ji
＝0，反之亦然。除了二极管、单向晶闸管、反向阻断igbt等单向器件，其余器件在自定义符号矩阵中均存在a
ij
＝a
ji
。
[0026]
优选地，s3.2具体为：
[0027]
首先为自定义符号有向图的节点编号，得出自定义符号矩阵的阶数。再根据自定义符号矩阵元素的定义，建模出自定义符号有向图的自定义符号矩阵g
c
。
[0028]
优选地，s4包括以下步骤：
[0029]
s4.1：将自定义符号矩阵g
c
的第m行加到第i行，得到第一过渡自定义符号矩阵g
c1
；
[0030]
s4.2：将第一过渡自定义符号矩阵g
c1
的第m列加到第i列，得到第二过渡自定义符号矩阵g
c2
；
[0031]
s4.3：将第二过渡自定义符号矩阵g
c2
的第n行加到第j行，得到第三过渡自定义符号矩阵g
c3
；
[0032]
s4.4：将第三过渡自定义符号矩阵g
c3
的第n列加到第j列，得到第四过渡自定义符号矩阵g
c4
；
[0033]
s4.5：删掉第四过渡自定义符号矩阵g
c4
的第m行、第n行、第m列和第n列，并且将q1 q2用第三开关管q3代替，得到新的自定义符号矩阵g
c，new
。
[0034]
优选地，s5包括以下步骤：
[0035]
s5.1：将新的自定义符号矩阵g
c，new
还原为新的自定义符号有向图；
[0036]
s5.2：将新的自定义符号有向图具象为新的双有源全桥电路a
new
。
[0037]
优选地，s5.1具体为：
[0038]
新的自定义符号矩阵g
c，new
的阶数即为新的自定义符号有向图的节点数。根据自定义符号矩阵的定义和自定义符号有向图的定义，还原的新的自定义符号有向图。
[0039]
优选地，s5.2具体为：
[0040]
首先将新的自定义符号有向图的节点视为新的双有源全桥电路a
new
中连接两个器件的节点。再将新的自定义符号有向图的边视为新的双有源全桥电路a
new
中的器件。
[0041]
优选地，s6包括以下步骤：
[0042]
s6.1：求出自定义符号矩阵g
c
中第i行第j行列的元素a
ij
的余子式m
ij
、第j行第i列的元素a
ji
的余子式m
ji
、第m行第n列的元素a
mn
的余子式m
mn
、第n行第m列的元素a
nm
的余子式m
nm
；
[0043]
s6.2：计算待化简的双有源全桥电路a中被合并的第一开关管q1、第二开关管q2的电流路径p
old
＝a
ij
mi
j
a
ji
m
ji
a
mn
m
mn
a
nm
m
nm
；
[0044]
s6.3：求出新的自定义符号矩阵g
c，new
中第i行第j列的元素a
ij
的余子式m
ij
和第j行第i列的元素a
ji
的余子式m
ji
；
[0045]
s6.4：计算新的双有源全桥电路anew中合并后的第三开关管q3的电流路径p
new
＝a
ij
mi
j
a
ji
m
ji
。
[0046]
求电路路径时应该遵守电路路径化简原则，具体为：
[0047]
在所有电流路径中，如果其中一条电流路径包含另一条电流路径，被包含的电流路径可以被忽略。如，若电流路径p1为rc2，电流路径p2为rc2d2l2，p1 p2＝rc2(1 d2l2)＝rc2，则p1包含p2，电流路径p1可以忽略。此外，具有c的器件和具有的器件不同时导通。因此，如果电路路径同时包含c和则可以忽略该电流路径。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0049]
图1为一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法的流程图；
[0050]
图2为交错并联的双向boost变换器级联电压源型双有源全桥变换器的电路图；
[0051]
图3为交错并联的双向boost变换器级联电压源型双有源全桥变换器的自定义符号有向图；
[0052]
图4为新的自定义符号有向图；
[0053]
图5为化简后的电路图。
具体实施方式
[0054]
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，应该指出，以下详
细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，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。
[0055]
本技术实施例提供了一种基于自定义符号矩阵的双有源全桥电路化简方法，用于化简双有源全桥电路，消除冗余器件，从而提高变换器的功率密度以及降低变换器的制造成本。
[0056]
本发明的一种典型实施例，以化简交错并联的双向boost变换器级联电压源型双有源全桥变换器的电路(以下简称为级联电路)为例，图2即为交错并联的双向boost变换器级联电压源型双有源全桥变换器的电路。
[0057]
s1：观测级联电路中各个开关管驱动信号的频率和占空比。
[0058]
s2：第一开关管q1和第五开关管q5的驱动信号有着相同的驱动信号和占空比，第二开关管q2和第六开关管q6的驱动信号有着相同的驱动信号和占空比，第三开关管q3和第七开关管q7的驱动信号有着相同的驱动信号和占空比、第四开关管q4和第八开关管q8的驱动信号有着相同的驱动信号和占空比，进入s3。
[0059]
s3：将级联电路建模成为自定义符号矩阵g
c
：
[0060]
s3.1：将级联电路中连接两个器件的节点视为自定义符号有向图的节点。将级联电路中的器件视为自定义符号有向图的边，而它们的方向用箭头表示，得到如图3所示的级联电路的自定义符号有向图。
[0061]
s3.2：为自定义符号有向图的节点编号，得出自定义符号矩阵的阶数为7。再根据自定义符号矩阵元素的定义，建模出自定义符号有向图的自定义符号矩阵g
c
。自定义符号矩阵g
c
如下所示。
[0062][0063]
s4：将自定义符号矩阵g
c
化简为新的自定义符号矩阵g
c，new
：
[0064]
s4.1：将自定义符号矩阵g
c
的第5行加到第2行，得到第一过渡自定义符号矩阵g
c1
。第一过渡自定义符号矩阵g
c1
如下所示。
[0065][0066]
s4.2：将第一过渡自定义符号矩阵g
c1
的第5列加到第2列，得到第二过渡自定义符号矩阵g
c2
。第二过渡自定义符号矩阵g
c2
如下所示。
[0067][0068]
s4.3：将第二过渡自定义符号矩阵g
c2
的第6行加到第3行，得到第三过渡自定义符号矩阵g
c3
。第三过渡自定义符号矩阵g
c3
如下所示。
[0069][0070]
s4.4：将第三过渡自定义符号矩阵g
c3
的第6列加到第3列，得到第四过渡自定义符号矩阵g
c4
。第四过渡自定义符号矩阵g
c4
如下所示。
[0071][0072]
s4.5：删掉第四过渡自定义符号矩阵g
c4
的第5行、第6行、第5列和第6列，并且将q1 q5用第十三开关管q
13
代替、q2 q6用第十四开关管q
14
代替、q3 q7用第十五开关管q
15
代替、q4 q8用第十六开关管q
16
代替，得到新的自定义符号矩阵g
c，new
。新的自定义符号矩阵g
c，new
如下所示。
[0073][0074]
s5：将新的自定义符号矩阵g
c，new
还原为新的双有源全桥电路a
new
：
[0075]
s5.1：新的自定义符号矩阵g
c，new
的阶数即为新的自定义符号有向图的节点数。根据自定义符号矩阵的定义和自定义符号有向图的定义，还原的新的自定义符号有向图。新的自定义符号有向图如图4所示。
[0076]
s5.2：首先将新的自定义符号有向图的节点视为新的双有源全桥电路a
new
中连接两个器件的节点。再将新的自定义符号有向图的边视为新的双有源全桥电路a
new
中的器件。将新的自定义符号有向图具象为如图5所示的新的双有源全桥电路a
new
。
[0077]
s6：计算级联电路a中被合并的第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、第五开关管q5、第六开关管q6、第七开关管q7、第八开关管q8的电流路径p
old
，再计算新的双有源全桥电路a
new
中合并后的第十三开关管q
13
、第十四开关管q
14
、第十五开关管q
15
、第十六开关管q
16
的电流路径p
new
。如下所示。
[0078][0079][0080]
s7：可以看出，p
old
与p
new
相同，a
new
即为化简后的双有源全桥电路。