基于开关组合规律的双有源桥DC-DC变换器传输功率特性 谷庆;袁立强;聂金铜;李婧;赵争鸣
【摘 要】双有源桥DC-DC变换器(DAB)采用移相控制时拥有三个互相独立的移相自由度,通过DAB一次侧、二次侧输出电压的解耦,将三个移相自由度任意组合下的DAB工作状态划分为12个模式.对12个模式的传输功率分别进行计算,推导各模式下传输功率的取值范围,并在此基础上对三重移相控制下DAB的传输功率特性进行研究.通过对三个移相自由度做一些特殊赋值,三重移相控制可以简化为单重移相控制、拓展移相控制和双重移相控制,研究这四种移相控制方法的传输功率范围,并对它们功率传输的灵活性进行比较.最后,通过实验验证了理论分析结果.%The transmission power characteristics of dual-active-bridge (DAB) DC-DC converter is studied in this paper. There are three independent degrees of freedom when DAB is controlled by phase shift modulation. The DAB working status under any combinations of three phase-shifted degrees of freedom is divided into 12 models. The transmission power values of these 12 models are calculated separately. The range of transmission power for each model is derived, and the transmission power characteristics of DAB under triple-phas e-shift (TPS) control are analyzed. The TPS control can be simplified as single-phase-shift (SPS) control, extended-phase-shift (EPS) control and dual-phase-shift (DPS) control when some of the degrees of freedom are assigned as special values. The ranges of transmission power for four phase-shift control methods are studied respectively, while the flexibility of power transmission is discussed comparatively. The theoretical analysis is verified by the experiments in the end.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2017(032)013
【总页数】11页(P69-79)
【关键词】双有源桥DC-DC变换器;开关组合;三重移相控制;传输功率
【作 者】谷庆;袁立强;聂金铜;李婧;赵争鸣
【作者单位】清华大学电机系 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 北京 1
00084;清华大学电机系 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 北京 100084;清华大学电机系 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 北京 100084;清华大学电机系 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 北京 100084;清华大学电机系 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 北京 100084
【正文语种】中 文
【中图分类】TM46
电能路由器或者电力电子变压器的拓扑经过多年的发展，形成了目前具有代表性的三级式结构[1]，由输入整流器、中间双向隔离DC-DC变换器（Isolated Bidirectional DC-DC Converter, IBDC）和输出逆变器等三级组成。输入整流器和输出逆变器主要由电力电子变换器构成，其拓扑和相应的控制策略已经有了较为成熟的研究。而中间的IBDC作为两端能量汇集与耦合中心，在电力电子变换器和高频变压器的共同作用下，属于典型的铜、铁和半导体组合系统，在电能路由器中承担着电气隔离、电压变换和功率双向传输等核心功能。
IBDC是在传统非隔离DC-DC变换器的基础上发展而来的，具有多种不同的拓扑形式，目前应用最广泛的是一种被称作双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）DC-DC变换器（后文简称DAB）的结构。与其他使用较少开关管的拓扑相比，在器件承压和通流能力一定的条件下，DAB具有更大的功率变换能力[2]，有助于降低系统的体积、提高系统的功率密度。
DAB的典型拓扑如图1所示，由输入H桥、高频变压器和输出H桥等三部分组成，是典型的多变量、非线性、强耦合系统。对其进行准确建模，进而对不同目标变量进行优化控制是DAB研究的热点和难点。而DAB在系统中的基本功能之一是承担功率的双向传输任务，因此对传输功率进行细致研究是DAB优化控制与运行的基础和前提。
从控制角度出发，移相控制由于具有原理简单、易于实现软开关、系统动态响应快等优点，成为DAB的主流控制方法。最简单的移相控制方法是单重移相（Single Phase Shift, SPS）控制，即给DAB的一次侧H桥和二次侧H桥分别施加一组具有一定移相角度的驱动信号，使得一次侧、二次侧H桥输出两个具有一定移相角度的方波电压。定义移相角度与半个开关周期的比值为移相比，则通过对移相比进行调整，就可以实现功率的正向或反向传输以及改变所要传输的功率大小。文献[3]详细分析了DAB在SPS控制下的工作原理，并在
此基础上推导了其功率传输特性。此外，SPS控制还可以应用于具有其他结构的双向DC-DC变换器中，文献[4]介绍了SPS控制在二极管钳位三电平半桥双向DC-DC变换器中的应用，并对其传输功率和软开关进行了分析。SPS控制虽然原理简单，但其不可避免地会产生较大的回流功率，同时在一次、二次电压和变压器匝比不匹配时，会产生较大的电流应力，造成系统的损耗增大，降低系统的效率。鉴于此，文献[5]提出了一种拓展移相（Extended Phase Shift, EPS）控制方法，除了一次侧、二次侧H桥之间原有的外移相比之外，又在某一个H桥内部的两个桥臂之间新增了一个内移相比，在EPS控制下，DAB的回流功率得到了显著降低。文献[6-10]进一步研究了EPS控制下DAB的回流功率、电流应力及软开关等特性，并分别提出了对相应目标变量进行优化的控制策略。不同于EPS控制，文献[11]在一次侧、二次侧两个H桥内部同时设置内移相比，且保持两个内移相比相等，从而提出了一种双重移相（Dual Phase Shift, DPS）控制方法。文献[11]对DPS控制下DAB的传输功率进行了细致分析，并与SPS控制进行了对比研究，但是该文献并没有对DPS控制可能出现的所有情况进行分析，而只研究了其中的两种情况，从而导致实验结果与理论分析不尽相同。文献[12]对DPS控制的所有模态进行了分析，并推导了电流应力最小的条件以及最优电流控制的原理和实现方案。
事实上，当采用移相控制时，DAB具有三个互相独立的控制自由度，即一次侧H桥的内移相比、二次侧H桥的内移相比和两个H桥之间的外移相比，当一个DAB系统同时具有上述三个独立的移相比时，即称之为工作于三重移相（Triple Phase Shift, TPS）控制方法下。SPS控制、EPS控制和DPS控制均是TPS控制的一种特殊情况，因此对TPS控制进行研究更具有一般性和普遍适用性，也能够更加充分地挖掘DAB控制自由度之间的组合对系统性能提升的能力。目前关于TPS控制的研究尚处于起步阶段。文献[13-16]分别分析了TPS控制的工作原理，对TPS控制下DAB的传输功率、软开关、回流功率和电流应力等特性进行了研究。但是上述文献都只涉及TPS控制下的某一个或几个模式分析，不能全面反映移相自由度的任意组合以及电路参数的变化对系统性能的影响。实际上，由于三个移相自由度之间的相互独立，对于图1所示的DAB系统，其具有无穷多种开关组合状态，因此如何对TPS控制下可能出现的所有模式进行完全分类是TPS控制的基础和难点。
本文首先分析TPS控制的工作原理，并对TPS控制下可能出现的所有模式进行分类，在此基础上对不同开关组合下DAB的传输功率特性进行研究。通过对三个移相自由度进行简化处理，对比研究SPS控制、EPS控制、DPS控制和TPS控制下DAB的传输功率特性差异。最后通过实验对理论分析结果进行验证。
图2为某种开关组合下TPS控制的主要波形，本文称之为模式A。下面以模式A为例介绍TPS控制的基本原理。结合图1和图2，一个桥臂上、下两只管子的驱动互锁，定义开关S4和S1驱动信号之间的相位差与半个开关周期的比值为一次侧H桥的内移相比D1；Q1和S1驱动信号之间的相位差与半个开关周期的比值为一次侧、二次侧H桥之间的外移相比D2；Q4和Q1驱动信号之间的相位差与半个开关周期的比值为二次侧H桥的内移相比D3。
如图2所示，一次侧H桥的输出电压uh1和折算到一次侧的二次侧H桥输出电压uh2共同作用在电感Ls上，形成电感电压uL，进而产生电感电流iL。考虑到iL的波形具有半周期对称的特点，因此对其进行分析可只考虑半个周期的情况。
在t0～t4的半个周期内，模式A可细分为五个不同的模态，如图3所示。
1）模态1。在t0～t1时间段内，电流iL为负，一次侧H1桥内开关S1和S3处于通态、S2和S4处于断态，因此电流通路为“变压器—电感—S1反并联二极管—S3—变压器”，H1的输出电压为0；二次侧H2桥内开关Q2和Q4处于通态、Q1和Q3处于断态，因此电流通路为“变压器—Q4—Q2反并联二极管—变压器”，H2的输出电压为0。因此，t1时刻电感电流为
2）模态2。在t1～t2时间段内，二次侧H2桥内的电流通路保持模态1的状态不变。t1时刻，开关S4导通、S3关断，一次侧H1桥内的电流从S3换流到S4的反并联二极管中，因此电流通路为“变压器—电感—S1反并联二极管—电容C1—S4反并联二极管—变压器”，H1的输出电压为U1。因此，t2时刻电感电流为
3）模态3。在t2～t20时间段内，一次侧H1桥内的电流通路保持模态2的状态不变。t2时刻，开关Q3导通、Q4关断，二次侧H2桥内的电流从Q4换流到Q3的反并联二极管中，因此电流通路为“变压器—Q3反并联二极管—电容C2—Q2反并联二极管—变压器”，H2的输出电压为-nU2。
4）模态4。t20时刻，电流iL过零，所有开关管的开关状态保持不变。因此在t20～t3时间段内，一次侧H1桥内的电流通路为“变压器—S4—电容C1—S1—电感—变压器”，H1的输出电压为U1；二次侧H2桥内的电流通路为“变压器—Q2—电容C2—Q3—变压器”，H2的输出电压为-nU2。因此，t3时刻电感电流为
5）模态5。在t3～t4时间段内，一次侧H1桥内的电流通路保持模态4的状态不变。t3时刻，开关Q1导通、Q2关断，二次侧H2桥内的电流从Q2换流到Q1的反并联二极管中，因此电
流通路为“变压器—Q1反并联二极管—Q3—变压器”，H2的输出电压为0。因此，t4时刻电感电流为
