雙開關型功率變換器電路分析（基於開關組合規律的雙有源橋DC-DC變換器傳輸功率特性）

2023-04-20 03:37:29

雙開關型功率變換器電路分析?清華大學電機系電力系統及發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室的研究人員谷慶、袁立強、聶金銅、李婧、趙爭鳴，在2017年第13期《電工技術學報》上撰文，雙有源橋DC-DC變換器（DAB）採用移相控制時擁有三個互相獨立的移相自由度，通過DAB一次側、二次側輸出電壓的解耦，將三個移相自由度任意組合下的DAB工作狀態劃分為12個模式，我來為大家科普一下關於雙開關型功率變換器電路分析?以下內容希望對你有幫助!

雙開關型功率變換器電路分析

清華大學電機系電力系統及發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室的研究人員谷慶、袁立強、聶金銅、李婧、趙爭鳴，在2017年第13期《電工技術學報》上撰文，雙有源橋DC-DC變換器（DAB）採用移相控制時擁有三個互相獨立的移相自由度，通過DAB一次側、二次側輸出電壓的解耦，將三個移相自由度任意組合下的DAB工作狀態劃分為12個模式。

對12個模式的傳輸功率分別進行計算，推導各模式下傳輸功率的取值範圍，並在此基礎上對三重移相控制下DAB的傳輸功率特性進行研究。通過對三個移相自由度做一些特殊賦值，三重移相控制可以簡化為單重移相控制、拓展移相控制和雙重移相控制，研究這四種移相控制方法的傳輸功率範圍，並對它們功率傳輸的靈活性進行比較。最後，通過實驗驗證了理論分析結果。

電能路由器或者電力電子變壓器的拓撲經過多年的發展，形成了目前具有代表性的三級式結構[1]，由輸入整流器、中間雙向隔離DC-DC變換器（IsolatedBidirectional DC-DC Converter, IBDC）和輸出逆變器等三級組成。

輸入整流器和輸出逆變器主要由電力電子變換器構成，其拓撲和相應的控制策略已經有了較為成熟的研究。而中間的IBDC作為兩端能量匯集與耦合中心，在電力電子變換器和高頻變壓器的共同作用下，屬於典型的銅、鐵和半導體組合系統，在電能路由器中承擔著電氣隔離、電壓變換和功率雙向傳輸等核心功能。

從控制角度出發，移相控制由於具有原理簡單、易於實現軟開關、系統動態響應快等優點，成為DAB的主流控制方法。最簡單的移相控制方法是單重移相（Single PhaseShift, SPS）控制，即給DAB的一次側H橋和二次側H橋分別施加一組具有一定移相角度的驅動信號，使得一次側、二次側H橋輸出兩個具有一定移相角度的方波電壓。定義移相角度與半個開關周期的比值為移相比，則通過對移相比進行調整，就可以實現功率的正向或反向傳輸以及改變所要傳輸的功率大小。

文獻[3]詳細分析了DAB在SPS控制下的工作原理，並在此基礎上推導了其功率傳輸特性。此外，SPS控制還可以應用於具有其他結構的雙向DC-DC變換器中，文獻[4]介紹了SPS控制在二極體鉗位三電平半橋雙向DC-DC變換器中的應用，並對其傳輸功率和軟開關進行了分析。SPS控制雖然原理簡單，但其不可避免地會產生較大的回流功率，同時在一次、二次電壓和變壓器匝比不匹配時，會產生較大的電流應力，造成系統的損耗增大，降低系統的效率。

鑑於此，文獻[5]提出了一種拓展移相（Extended Phase Shift, EPS）控制方法，除了一次側、二次側H橋之間原有的外移相比之外，又在某一個H橋內部的兩個橋臂之間新增了一個內移相比，在EPS控制下，DAB的回流功率得到了顯著降低。

文獻[6-10]進一步研究了EPS控制下DAB的回流功率、電流應力及軟開關等特性，並分別提出了對相應目標變量進行優化的控制策略。不同於EPS控制，文獻[11]在一次側、二次側兩個H橋內部同時設置內移相比，且保持兩個內移相比相等，從而提出了一種雙重移相（Dual PhaseShift, DPS）控制方法。文獻[11]對DPS控制下DAB的傳輸功率進行了細緻分析，並與SPS控制進行了對比研究，但是該文獻並沒有對DPS控制可能出現的所有情況進行分析，而只研究了其中的兩種情況，從而導致實驗結果與理論分析不盡相同。文獻[12]對DPS控制的所有模態進行了分析，並推導了電流應力最小的條件以及最優電流控制的原理和實現方案。

事實上，當採用移相控制時，DAB具有三個互相獨立的控制自由度，即一次側H橋的內移相比、二次側H橋的內移相比和兩個H橋之間的外移相比，當一個DAB系統同時具有上述三個獨立的移相比時，即稱之為工作於三重移相（Triple PhaseShift, TPS）控制方法下。SPS控制、EPS控制和DPS控制均是TPS控制的一種特殊情況，因此對TPS控制進行研究更具有一般性和普遍適用性，也能夠更加充分地挖掘DAB控制自由度之間的組合對系統性能提升的能力。目前關於TPS控制的研究尚處於起步階段。

文獻[13-16]分別分析了TPS控制的工作原理，對TPS控制下DAB的傳輸功率、軟開關、回流功率和電流應力等特性進行了研究。但是上述文獻都只涉及TPS控制下的某一個或幾個模式分析，不能全面反映移相自由度的任意組合以及電路參數的變化對系統性能的影響。實際上，由於三個移相自由度之間的相互獨立，對於圖1所示的DAB系統，其具有無窮多種開關組合狀態，因此如何對TPS控制下可能出現的所有模式進行完全分類是TPS控制的基礎和難點。

本文首先分析TPS控制的工作原理，並對TPS控制下可能出現的所有模式進行分類，在此基礎上對不同開關組合下DAB的傳輸功率特性進行研究。通過對三個移相自由度進行簡化處理，對比研究SPS控制、EPS控制、DPS控制和TPS控制下DAB的傳輸功率特性差異。最後通過實驗對理論分析結果進行驗證。

結論

本文首先分析了雙有源橋DC-DC變換器三重移相控制的工作原理，接著針對三個移相自由度的可能組合將三重移相控制劃分為12種工作模式，在此基礎上對任意開關組合下DAB的傳輸功率進行了計算。通過對三重移相控制進行簡化，可以將其降階為單重移相控制、拓展移相控制和雙重移相控制。

詳細分析了四種移相控制方法的傳輸功率特性，結果表明：四種移相控制方法具有相同的功率傳輸範圍，但就功率傳輸的靈活性而言，三重移相控制具有極大的優勢，而拓展移相控制相較雙重移相控制而言靈活性更強，單重移相控制的功率傳輸靈活性最弱，通常欲傳輸一定的功率，其只有兩個可供選擇的外移相比。

最後搭建了DAB實驗平臺對本文的理論分析結果進行了驗證，實驗結果和理論分析能夠很好地匹配，證明了理論分析的正確性。