硬件解耦三端口變換器的軟開關(guān)分析與仿真

張松，于德潤

火箭軍駐哈爾濱地區(qū)軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150001

隔離三端口變換器由于其具有高功率密度、高效率、能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向傳輸、電氣隔離、升降壓等諸多優(yōu)勢，近年來在電動汽車、儲能系統(tǒng)和微電網(wǎng)中應(yīng)用十分廣泛，尤其在電動汽車電氣系統(tǒng)中和新能源發(fā)電系統(tǒng)中采用三端口全橋變換器來取代多個獨(dú)立的直流變換器，不僅可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本，更能夠滿足中大功率應(yīng)用場合的要求[1-10]。傳統(tǒng)的隔離三端口變換器的控制環(huán)路之間存在相互耦合，需要對其進(jìn)行解耦控制，但這并不能將耦合完全消除[11-14]。而硬件解耦三端口變換器則從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了控制環(huán)路之間的解耦，在系統(tǒng)的能量管理方面具有更高的優(yōu)越性能[15-17]，成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。本文以雙有源橋變換器的分析為基礎(chǔ)，研究了硬件解耦三端口變換器的控制策略和軟開關(guān)范圍，并利用MATLAB繪制其軟開關(guān)范圍曲線，進(jìn)而通過Simulink搭建了硬件解耦三端口變換器的仿真模型進(jìn)行了必要的驗(yàn)證。

1 硬件解耦三端口變換器控制策略

硬件解耦三端口變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，它由兩臺高頻變壓器和3個有源電力電子變換器組成。端口1和端口2均由全橋變換器和電壓源(或負(fù)載)組成，端口3則由三橋臂全橋變換器和電壓源組成，三者通過兩臺高頻變壓器連接，兩臺高頻變壓器的副邊繞組的非同名端共用橋臂F，構(gòu)成三端口變換器的主拓?fù)?。以端?為例，它含有4個全橋開關(guān)管為S1～S4，其中S1和S3，S2和S4均工作在互補(bǔ)狀態(tài)，占空比均為50%。橋臂A和橋臂B之間的移相角為180°。端口2開關(guān)管的工作模式與端口1的情況完全一致，端口3的E、G橋臂開關(guān)狀態(tài)相同，其中K1和K3、K2和 K4、K5和 K6均工作在互補(bǔ)狀態(tài)，占空比均為50%，橋臂E、G和橋臂F之間的移相角為180°[18]。本文所述的硬件解耦三端口變換器可看作由端口1和端口3、端口2和端口3兩個雙有源橋組成，因此在進(jìn)行分析時可以通過分析端口1和端口3構(gòu)成的雙有源橋變換器來得出整個三端口變換器的功率傳輸關(guān)系及其控制策略。

圖1 硬件解耦三端口變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

端口1和端口3構(gòu)成的雙有源橋變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。統(tǒng)一將電壓、電流折算至端口3，令n1=N1/N2，那么可以得出折算之后的方波電壓幅值V1r=vs1/n1。

圖2 雙有源橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

圖3 表示的是雙有源橋變換器理想的電壓和電流波形圖。在圖3中，端口3的調(diào)制信號超前端口1的調(diào)制信號。從圖3中可以看出，該電路一個開關(guān)周期中有4種開關(guān)狀態(tài)。其中，v1r和v3r表示的是歸算到端口3的橋臂間的方波電壓，V1r和V3r表示的是這兩個方波電壓幅值。其中V3r=vs3，V1r=vs1/n1。

圖3 雙有源橋變換器電壓、電流波形

由圖3可知，電感L1上的電壓為v31=v3r-v1r。假設(shè)開關(guān)過程瞬時完成，即電流從一個橋臂開關(guān)管轉(zhuǎn)移到另一個橋臂的開關(guān)管瞬時完成，則分析漏感電流如式(1)所示：

根據(jù)電流的對稱性可知：

由此可以求出，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的電流值為

將端口1、端口3之間的傳輸功率表示為P13，則該功率只通過兩個端口間的移相角控制。其功率表達(dá)式為[19]

此外，本文所述的硬件解耦的三端口變換器端口1和端口2之間通過公共端口3進(jìn)行能量傳遞，端口1和端口2無法直接傳遞能量。統(tǒng)一將電壓、電流折算至端口 3，令 n1=N1/N2，n2=N3/N4，可以得出折算之后的方波電壓幅值V1r=vs1/n1，V2r=vs2/n2。此時3個端口之間的功率傳輸可表示為

式中：fs代表的是開關(guān)頻率；φ31表示的是端口3和端口1之間的移相角；φ32表示的是端口3和端口2之間的移相角。由式(3)可以看出，端口1的能量傳輸僅由移相角φ31控制，端口2的能量傳輸僅由移相角φ32控制，端口3作為自由端口。所采用的三端口變換器在硬件上實(shí)現(xiàn)了各端口之間的解耦。同樣我們可以得到端口1和端口2的平均電流為

式中：

根據(jù)圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及KCL和KVL原理，可以得到如下公式：

加入擾動量并消除直流部分，結(jié)合已經(jīng)得出的電流小信號模型可以得出三端口變換器的小信號模型表達(dá)式為

由式(5)可以求出端口1的輸出電流與移相角φ31之間的傳遞函數(shù)為

同理可以得出端口2的負(fù)載電壓與移相角φ32之間的傳遞函數(shù)為

2 軟開關(guān)分析

對于本文所述的三端口變換器而言，要實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，即橋臂電壓下降沿時刻變壓器電流(電感電流)大于0，橋臂電壓上升沿時刻變壓器電流(電感電流)小于0，即實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷。

根據(jù)式(2)可以得出硬件解耦型三端口變換器各端口電壓下降沿時刻的變壓器電流值為

在此，定義 d31=vs1/(n1vs3)，d32=vs2/(n2vs3)，設(shè)定 L1=L2，由式 (4)可得，若 i31(t2)＞0，i31(t2)＞0，則 i33(t2)＞0，即若橋臂E、G滿足軟開關(guān)條件，那么橋臂F必能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。那么該硬件解耦型三端口變換器軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件 i13(t3)＞0，i23(t3)＞0，i31(t2)＞0，i31(t2)＞0。

那么可以得出，硬件解耦三端口變換器軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件為

根據(jù)式(8)，在MATLAB中繪制軟開關(guān)范圍圖如圖4、5所示。分析可以得出，硬件解耦型三端口變換器端口1與端口2的軟開關(guān)范圍互不影響，端口 3 的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)與 d31，d32，φ31，φ32均相關(guān)，充分說明硬件解耦型三端口變換器本質(zhì)上是由端口1和端口3、端口2和端口3兩個雙有源橋組成，端口3作為公共端口，實(shí)現(xiàn)各個端口之間的能量傳遞。

圖4 Port1及Port3橋臂E開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的范圍

圖5 Port2及Port4橋臂G開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的范圍

3 控制器設(shè)計及仿真驗(yàn)證

硬件解耦型三端口變換器的閉環(huán)控制策略如圖6所示，端口2采用電壓單閉環(huán)控制，負(fù)載電壓給定值vs2

*減去負(fù)載端口輸出電壓的采樣值vs2，得到負(fù)載電壓的變化量Δvs2。將Δvs2送入電壓環(huán)控制器Gcv，得到移相角φ32。同理，端口1采用電流單閉環(huán)控制，端口1輸入電流的給定值i1*減去輸入電流實(shí)際值，得到輸入電流的變化量Δi1，將其送入電流環(huán)控制器Gci，得到移相角，對兩個移相角進(jìn)行限幅，限幅值分別為 0～π/2、-π/2～0。最后將得到的移相角φ31和φ32輸入移相調(diào)制器，產(chǎn)生調(diào)制信號控制各個開關(guān)管的開通和關(guān)斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)硬件解耦型三端口變換器的控制目標(biāo)。

圖6 硬件解耦型三端口變換器控制策略

由式(6)、(7)可知，為了使控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，需要對傳遞函數(shù)進(jìn)行必要的校正。

校正工具采用MATLAB中的sisotool工具箱。該工具箱專門用于設(shè)計單輸入單輸出的系統(tǒng)校正函數(shù)，使用方便，能夠避免復(fù)雜的參數(shù)運(yùn)算[20-21]。取穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn) S 為 (-35.5°，21.7°)，利用表1數(shù)據(jù)可計算得到被控對象的傳遞函數(shù)。

表1 仿真模型主要參數(shù)

校正完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)仿真。將設(shè)計的控制器加入到系統(tǒng)中，設(shè)置電壓環(huán)控制器的給定值為100 V，電流環(huán)控制器的給定值為12 A。在0.2 s時負(fù)載電阻由20 Ω突減至8 Ω，在0.4 s時負(fù)載電阻由8 Ω突加至20 Ω，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。硬件解耦型三端口變換器的加減載仿真結(jié)果如圖7所示。由仿真波形可以看出，端口2的負(fù)載電壓vs2在加載和減載時的暫態(tài)跌落和升高的幅度基本一致，加載時跌落至約98 V，減載時升高至約102 V，其到達(dá)穩(wěn)態(tài)的所需的時間也相差無幾，基本能在0.1 s內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值。與此同時，端口1的輸出電流在加減負(fù)載無波動出現(xiàn)，曲線平滑，電流紋波較小，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了各個端口之間的解耦。

圖7 加減載時的vs2和i1波形

當(dāng)端口2的負(fù)載電壓給定突變時，即在0.3 s將負(fù)載電壓的給定值由100 V突變至120 V，硬件解耦三端口變換器端口2的負(fù)載電壓、端口1的輸出電流曲線如圖8所示。端口2的給定電壓突變后，負(fù)載電壓在0.02 s內(nèi)穩(wěn)定在給定的120 V，端口1的輸出電流不受影響，穩(wěn)定在12 A。再次證實(shí)，采用硬件解耦型三端口拓?fù)洌軌蛟诒举|(zhì)上實(shí)現(xiàn)各個端口之間的解耦。

圖8 端口2電壓給定突變時的vs2和i1波形

當(dāng)端口1的輸出電流給定突變時，即在0.2 s將負(fù)載電壓的給定值由12 A突變至8 A，硬件解耦三端口變換器端口2的負(fù)載電壓、端口1的輸出電流曲線如圖9所示。端口1的給定突變后，端口1輸出電流0.03 s內(nèi)穩(wěn)定在給定的8 A。負(fù)載電壓穩(wěn)定在100 V，不受影響，充分說明，采用硬件解耦型三端口拓?fù)?，能夠在本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)各個端口之間的解耦。

圖9 端口1電流給定突變時的vs2和i1波形

在進(jìn)行加減載仿真中，觀察可知輕載時的移相角 φ31=-54.4°，φ32=21.6°，重載時的移相 φ31=-54.4°，φ32=64.8°，將其標(biāo)注于圖5、6中。由點(diǎn)A、B、C可知，無論輕載還是重載，端口1、端口2和端口3的E橋臂上的開關(guān)管均處于軟開關(guān)狀態(tài)。但對于端口3的G橋臂上的開關(guān)管而言，輕載時處于軟開關(guān)范圍之外，無法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。重載時可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

輕載和重載時的變壓器繞組電壓、電流波形如圖10、11所示。由圖10可以看出，輕載時端口1、2、3的E橋臂的開關(guān)管均能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但端口3的G橋臂電流在電壓下降沿為負(fù)值，不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，與之前的理論分析吻合，當(dāng)d32不為1時，由于輕載時的移相角φ32較小，因此無法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。但處于重載時，隨著傳輸功率的增大，移相角φ32也隨之增大，3個端口都處在軟開關(guān)的范圍之內(nèi)，因此，重載時3個端口均能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，如圖11所示，3個端口的變壓器繞組電流均在電壓下降沿時大于0，電壓上升沿時小于0，均能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。

圖10 輕載時高頻變壓器繞組電壓、電流波形

圖11 重載時高頻變壓器繞組電壓、電流波形

4 結(jié)論

本文分析并研究了采用硬件解耦三端口變換器在解耦控制方面所具有的優(yōu)越性能，通過分析其功率傳輸關(guān)系對其控制策略進(jìn)行了研究與設(shè)計，并對其軟開關(guān)范圍進(jìn)行了分析，最終利用Simulink進(jìn)行了必要的仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明:

1) 當(dāng)某端口功率發(fā)生變化時，采用硬件解耦型三端口變換器能夠保證其他端口不受干擾地正常穩(wěn)定運(yùn)行，相較于傳統(tǒng)的隔離型三端口變換器，硬件解耦型三端口變換器在解耦控制方面具有更加優(yōu)良的控制效果。

2) 理論分析所得到的軟開關(guān)范圍是準(zhǔn)確的，可以利用其進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的變換效率。