雙向有源橋式電路的移相控制策略改進(jìn)研究

趙轉(zhuǎn) 李星宇

摘要：雙向有源橋式電路是目前中低壓DC/DC變換器中的最常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有功率雙向流動、控制簡便、電壓傳輸范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已成為電動汽車充電樁、電力電子變壓器、不間斷電源等需要雙向直流功率傳輸?shù)膽?yīng)用首選。但傳統(tǒng)的雙向有源橋式電路單移相控制策略存在功率回流等影響變換器效率的現(xiàn)象，為此，提出了采用雙移相控制策略對其進(jìn)行改進(jìn)，減少功率回流現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高變換器效率。通過仿真驗(yàn)證了該改進(jìn)控制策略的可行性。

關(guān)鍵詞：雙向有源橋式電路;控制策略;移相控制

0 引言

隨著近些年電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電動汽車、直流配用電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心高品質(zhì)電源的發(fā)展，人們對DC/DC功率變換器的需求日益凸顯。大量的直流變換場景對電能的雙向流動能力、直流設(shè)備的功率密度、電壓輸入與輸出范圍都有較高要求。雙向直流變換器主要可以實(shí)現(xiàn)電壓變換和能量的雙向流動，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過將單向直流變換器的二極管換成半控型開關(guān)管或全控型開關(guān)管（如功率MOSFET、IGBT、IGCT等）而得到。

根據(jù)雙向直流變壓器中是否有隔離變壓器，可以將其分為隔離型雙向直流變換器和非隔離型雙向直流變換器。非隔離型雙向直流變壓器通常主要有以下6種基本拓?fù)湫问剑築uck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta。非隔離型雙向直流變壓器將其中的二極管換成可控器件后，就可以實(shí)現(xiàn)雙向直流變換，但輸入輸出側(cè)沒有隔離，因此應(yīng)用范圍較窄。而在非隔離拓?fù)涞幕A(chǔ)上增加中高頻變壓器，并控制變壓器兩側(cè)可控型器件不同時(shí)刻的通斷，可實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流變壓器的電壓變換。

雙向有源橋式電路（dual active bridge，DAB）使用全控型器件IGBT，且結(jié)構(gòu)完全對稱，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向輸入輸出，因此在中壓大功率直流變換場景中應(yīng)用較廣泛。該拓?fù)淠壳俺Ｓ玫目刂品绞绞菃我葡嗫刂撇呗浴Ｔ摬呗允菍啥丝煽仄骷尿?qū)動信號根據(jù)傳輸功率的變化錯(cuò)開一個(gè)相角差，通過改變相角差的大小調(diào)節(jié)傳輸功率。當(dāng)相角差為負(fù)時(shí)，即功率由二次側(cè)傳向一次側(cè)，因此通過相角差的調(diào)節(jié)也可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。但單移相控制策略在運(yùn)行過程中，會存在電壓與電流相位相反的情況，這種情況會導(dǎo)致短時(shí)間的傳輸功率與需求功率方向相反，被稱為功率回流。

改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以達(dá)到提高變換器運(yùn)行特性的目的，但是這類方法往往會增加電路的復(fù)雜性，也對電路成本和控制等方面帶來一定的影響。因此，本文在不改變電路拓?fù)涞那闆r下，在單移相控制策略基礎(chǔ)上增加一次側(cè)器件驅(qū)動信號的相角差，此時(shí)DAB有2組相角的控制自由度，可以有效減小回流功率，從而提高拓?fù)涞倪\(yùn)行效率。本文通過在MATLAB/Simulink中的仿真，對單移相控制策略和雙移相控制策略進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了雙移相控制策略的可行性。

1 DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹

DAB拓?fù)淙鐖D1所示，輸入側(cè)和輸出側(cè)各有1個(gè)穩(wěn)壓電容，然后中間高頻變壓器與2個(gè)H橋相連。中頻變壓器前端有1個(gè)功率電感，功率電感和變壓器的漏感共同用于傳輸功率。傳統(tǒng)的單移相控制策略中S1和S4驅(qū)動信號相同，S2和S3驅(qū)動信號相同，S1和S2驅(qū)動信號相反。而逆變側(cè)S5和S8驅(qū)動信號相同，S6和S7驅(qū)動信號相同，S5和S6驅(qū)動信號相反。根據(jù)傳輸功率的不同，移相角就是S1和S5之間的相角差，通過改變這個(gè)差值，控制兩端功率傳輸。

2 雙移相控制策略分析

單移相控制策略在運(yùn)行過程中會存在交流側(cè)電壓和電流相位相反的情況，在功率電感的電流波形中這種情況表現(xiàn)明顯。而DAB中各自交叉橋臂的驅(qū)動波形相同，總共分成4個(gè)變換階段。因此，功率電感的電流波形共有4段折線變化。

本文提出的雙移相控制策略在S1和S4之間增加一個(gè)設(shè)定的開環(huán)移相角，相同的開環(huán)移相角也存在于S2和S3之間。二次側(cè)的4個(gè)開關(guān)管驅(qū)動波形不變。在這種情況下，雙移相控制策略中電感的電流比單移相控制策略中電感電流多出幾個(gè)轉(zhuǎn)折狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)在某些時(shí)刻交流側(cè)電壓存在零電壓過渡狀態(tài)，減少了功率回流現(xiàn)象。

3 仿真模型驗(yàn)證

本文在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型，輸入直流電壓為200 V，輸出直流電壓為48 V，仿真時(shí)間為0.5 s。單移相控制策略仿真的電壓輸出波形如圖2所示，從圖中可以看出，DAB拓?fù)湓诮咏?.1 s時(shí)輸出進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，其中輸出電壓為46.5～49 V。設(shè)定的輸出電壓為48 V，電壓波動量為3%左右。雙移相控制策略仿真的電壓輸出波形如圖3所示，從圖中可以看出，DAB拓?fù)湓?.05 s左右輸出電壓即可進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，其中輸出電壓為47～49 V。設(shè)定的輸出電壓也為48 V，此時(shí)電壓波動量為2%。通過圖2和圖3的對比可以看出，采用雙移相控制策略時(shí)，DAB拓?fù)涞妮敵鲭妷赫{(diào)整時(shí)間減小，電壓波動量也減小。這是因?yàn)榕c單移相控制策略相比，雙移相控制策略的功率回流較小，因此傳輸?shù)哪芰磕芨鞚M足輸出側(cè)，可以縮短電壓調(diào)整時(shí)間。而功率回流意味著輸出側(cè)向輸入側(cè)傳輸一定的功率，在傳輸過程中必然會帶來輸出側(cè)電壓的波動。因此，功率回流減小，也就意味著輸出側(cè)電壓波動減小。

4 結(jié)論

本文通過對雙向有源橋式電路單移相控制策略的分析以及對所提雙移相控制策略的分析，并將兩種控制策略進(jìn)行比較，可以得出：

（1）移相控制策略會帶來功率回流現(xiàn)象，并且這種現(xiàn)象無法消除，只能通過控制的方法減少功率回流現(xiàn)象。

（2）與單移相控制策略相比，雙移相控制策略可以有效減少功率回流現(xiàn)象。

（3）采用雙移相控制策略可以縮短拓?fù)涞妮敵鲭妷赫{(diào)整時(shí)間，減小輸出側(cè)的電壓波動量，這也是減少功率回流現(xiàn)象帶來的好處。

因此，雙向有源橋式電路的雙移相控制策略與單移相控制策略相比，其控制復(fù)雜度并未大量增加，但對輸出電壓和拓?fù)湫示哂酗@著的改善作用。

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