基于擴展移相控制的雙有源橋DC-DC變換器的軟開關(guān)

李 巖，王坤明，郭 昊，侯冰冰，井永騰

1 概述

近年來，我國工業(yè)迎來了高速發(fā)展，能源問題越來越成為推動經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵因素。隨著傳統(tǒng)化石能源資源的日漸枯竭，大力發(fā)展新能源，成為加速我國經(jīng)濟發(fā)展，實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢的必由之路。目前，風能，太陽能等清潔能源已經(jīng)大規(guī)模并網(wǎng)，為了適應這種改變，各種交流－直流儲能設備加入了電網(wǎng)，新能源發(fā)電滲入到配電終端，發(fā)電方式也正轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺?，分布式并存，同時，以電動汽車為代表的新型負載日益增加。因此，復雜性和多樣性是未來電網(wǎng)的主要特點，能源能多向，自由流動是未來電網(wǎng)的主要要求，為了提高未來電網(wǎng)的運行效率，提出了電能路由器的概念[1-2]。電能路由器包括整流級，逆變級以及中間級。中間級最典型的拓撲結(jié)構(gòu)是能夠?qū)崿F(xiàn)能源雙向流動的雙有源橋直流變換器。

提高變換器效率的有效途徑是通過移相控制實現(xiàn)變換器的軟開關(guān)，從而提高功率密度[3]。軟開關(guān)（Soft-Switching）是相對于硬開關(guān)(Hard-Switching)而言的。軟開關(guān)是使用軟開關(guān)技術(shù)的開關(guān)過程。理想的軟開關(guān)過程是電流或電壓先降到零，電壓或電流再緩慢上升到斷態(tài)值，所以開關(guān)損耗近似為零。單移相控制是雙有源橋的常用控制方法，能提升變換器的效率，但是器件電壓應力高，控制靈活度小，軟開關(guān)區(qū)域小。雙移相控制靈活度高，變換器效率進一步提升[4]，但是控制方法復雜，對變換器參數(shù)，控制信號的精確性要求高，在工程條件復雜情況下難以廣泛應用。擴展移相控制綜合了上述兩類控制的優(yōu)點[4]。靈活度高，器件應力小，控制方法簡單，軟開關(guān)范圍廣[5]。

基于上述問題，本文以電能路由器中間級的典型雙有源橋直流變換器結(jié)構(gòu)為研究對象，參考單移相控制下變換器特性，建立擴展移相下變換器的具體工作模態(tài)，最終得到滿足變換器完全軟開關(guān)實現(xiàn)的軟件條件和硬件條件，并且根據(jù)得到的條件，搭建了實驗樣機與仿真模型，通過實驗與仿真結(jié)果比照，得出變換器實現(xiàn)了軟開關(guān)的結(jié)論，證明了設計條件的正確性。本文變換器實現(xiàn)的軟開關(guān)均為零電壓關(guān)斷與開通（ZVS）。

圖1 雙有源橋直流變換器拓撲圖

2 擴展移相控制原理以及軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)分析

根據(jù)圖1雙有源橋直流變換器拓撲圖，定義H1為變換器一次側(cè)，H2為變換器二次側(cè)，變換器主要結(jié)構(gòu)為高頻開關(guān)管，電力電子變壓器以及串聯(lián)電感L，實現(xiàn)軟開關(guān)的硬件條件最主要的就是串聯(lián)電感值的確定。圖2為擴展移相控制原理圖，根據(jù)開關(guān)管之間的信號相位關(guān)系，定義一次側(cè)S1，S2所在橋臂為超前橋臂，S3，S4所在橋臂為滯后橋臂，同理，可得如此側(cè)橋臂分類。由軟開關(guān)實現(xiàn)的模態(tài)分析，開關(guān)S1，S2開通與關(guān)斷時刻工作原理具有對稱性[6]，因此僅需分析半個周期T/2（t1-t6）的軟開關(guān)實現(xiàn)條件。

2.1 雙有源橋一次側(cè)與二次側(cè)實現(xiàn)軟開關(guān)的條件

圖2 擴展移相控制原理圖

通過對不同時刻電路模型的分析，結(jié)合電路諧振時刻開關(guān)損耗分析與零電壓軟開關(guān)實現(xiàn)的條件，可以得出變換器一次側(cè)超前橋臂與二次側(cè)S5，S8實現(xiàn)軟開關(guān)硬件條件（串聯(lián)電感值）為：

公式（1）中U1為輸入電壓，C為變換器開關(guān)并聯(lián)電容值大小，

同樣，可由分析得到變換器一次側(cè)滯后橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)硬件條件為：

公式(2)中U1為輸入電壓，C為變換器開關(guān)并聯(lián)電容值大小。Ip為一次側(cè)滯后橋臂開關(guān)管關(guān)斷時原邊電流。

制約變換器實現(xiàn)軟開關(guān)往往是在電感電流過零瞬間前后，只要滯后橋臂電感電流過零瞬間與二次側(cè)電壓nU2相反即可，并且，變換器滯后橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)對電感參數(shù)的要求更嚴苛。在實際工程中，Ip>I2，因此，為了實現(xiàn)變換器所有高頻IGBT的軟開關(guān)，變換器設置參數(shù)需滿足公式（2），即公式（2）為變換器實現(xiàn)軟開關(guān)的電感參數(shù)設計準則。

實現(xiàn)軟開關(guān)，需要對驅(qū)動波形進行設置，即設定移相角，并且對于同一橋臂上的開關(guān)，為了杜絕直通現(xiàn)象的發(fā)生，且滿足軟開關(guān)的實現(xiàn)條件，需要對死區(qū)時間進行限制。移相角與死區(qū)時間滿足：

公式（3）中，α1表示一次側(cè)橋臂的內(nèi)移相角，α2表示一次側(cè)與二次側(cè)橋臂間的橋間移相角。

2.2 仿真與實驗結(jié)果分析

參照前文給出的擴展移相控制下軟開關(guān)實現(xiàn)條件，在SIMULIMNK中搭建仿真模型如圖3（a）所示，其中，串聯(lián)電感參數(shù)采用前文所得公式推出，具體參數(shù)設計見表1，圖3（b）按照前文給出驅(qū)動波形設計準則設置死區(qū)時間以及移相角。仿真結(jié)果如圖4所示，為滯后橋臂開關(guān)S3開通瞬間展開圖。

圖3（a） SIMULINK中仿真模型圖

圖3（b） 驅(qū)動信號的設置仿真圖

圖4 變換器實現(xiàn)軟開關(guān)仿真圖

為了驗證本文所分析的擴展移相控制下軟開關(guān)參數(shù)設計準則的正確性，搭建了一臺雙有源橋直流變換器的樣機，采用DSP28335進項控制，具體參數(shù)如表1所示。圖5為搭建的雙有源橋直流變換器實驗臺。圖6為實驗結(jié)果圖。

圖5 雙有源橋直流變換器實驗臺

圖6 變換器運行圖

表1 雙有源橋直流變換器參數(shù)表

圖4仿真圖與圖6實驗圖均為變換器運行時一次側(cè)滯后橋臂上S3開通瞬間展開圖，由前文分析可知，在此刻變換器狀態(tài)對應到圖1的t4時刻，滯后橋臂上開關(guān)S3實現(xiàn)零電壓開通條件是電感電流大于0（即與此刻電壓值相反），可以看出，開關(guān)S3此時滿足完全軟開關(guān)條件，由對稱性可知，一次側(cè)滯后橋臂上S4也滿足完全軟開關(guān)條件，實現(xiàn)一次側(cè)滯后橋臂軟開關(guān)條件最為嚴苛，因此，變換器所有開關(guān)管實現(xiàn)了完全軟開關(guān)，進一步驗證了本文所提出設計參數(shù)的正確性。

3 總結(jié)

本文通過對能源路由器中雙有源橋直流變換器的控制策略進行分析，給出了實現(xiàn)軟開關(guān)的條件，并根據(jù)給出參數(shù)搭建仿真模型，并對樣機進行實驗，仿真與實驗結(jié)果均證明了變換器一次側(cè)和二次側(cè)實現(xiàn)了軟開關(guān)，驗證了本文提出的軟開關(guān)設計方法的有效性。工程實踐中可以根據(jù)實際需要直接參考本文給出的設計方法，可以極大的節(jié)省時間。