黃珺，王躍，高遠(yuǎn)

（西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

1 引言

在當(dāng)前全球能源危機(jī)日益嚴(yán)重的背景下，新能源受到人們?cè)絹碓綇V泛的關(guān)注。新能源發(fā)電，比如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、潮汐能發(fā)電等等，在各國(guó)的發(fā)電量中占有的比例正在逐年增加。由于新能源大部分屬于間歇式能源，為了平滑輸出功率、削峰填谷、提高電能質(zhì)量，儲(chǔ)能系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于新能源發(fā)電中。此外，儲(chǔ)能技術(shù)也是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)里的關(guān)鍵技術(shù)。動(dòng)力電池或者超級(jí)電容等是電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源，是電動(dòng)汽車的重 要組成部分，所以儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車的性能起著越來越關(guān)鍵的作用。

儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由兩大部分組成：由儲(chǔ)能元件（部件）組成的儲(chǔ)能裝置和由電力電子器件組成的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）。儲(chǔ)能裝置主要實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放，常見的有蓄電池、超級(jí)電容、超導(dǎo)儲(chǔ)能以及飛輪等等；PCS 主要實(shí)現(xiàn)充放電控制、功率調(diào)節(jié)和控制等功能[1-4]?？梢?，對(duì)于PCS，功率的雙向流動(dòng)是最基本的要求。當(dāng)功率在直流母線和儲(chǔ)能裝置之間流動(dòng)時(shí)，雙向直流變換器為核心的PCS 控制著功率的流動(dòng)。雙向直流變換器就是直流變換器的雙象限運(yùn)行，其輸入、輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變，所以功率也是雙向流動(dòng)的。按照是否具有電氣隔離的功能，雙向直流變換器分為非隔離型雙向直 流變換器和隔離型雙向直流變換器。在隔離型雙向直流變換器中，雙向全橋直流變換器（Dual Active Bridge，DAB）由于具有高功率密度、高電壓傳輸比、不需要額外的無源器件就能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注。

2 雙向全橋直流變換器

DAB 的電路原理圖如圖1所示，兩個(gè)高頻H橋通過中間的高頻變壓器連接。H 橋的交流輸出分別為abv和cdv，通常情況下，高頻變壓器的勵(lì)磁電感遠(yuǎn)大于漏電感，忽略勵(lì)磁電感，DAB 的等效電路如圖2所示[5]。

圖1 DAB 電路原理圖 Fig.1 Circuit schematic of DAB converter topology

圖2 DAB 的等效電路 Fig.2 Equivalent circuit of DAB converter

3 移相控制

3.1 工作原理

當(dāng)vab和vcd為180°電角度的方波，并且兩個(gè)交流電壓之間存在φ角度的移相角，根據(jù)DAB的等效電路，這兩個(gè)電壓加在漏電感的兩端，工作波形如圖3所示。

圖3 移相控制下的工作波形 Fig.3 Waveforms of phase-shift control

由工作波形可以得到變壓器一次側(cè)的電流iL為

式中：n為高頻變壓器的匝比；fs為開關(guān)頻率。

以Pb=V12/(2πfsLs)為基準(zhǔn)，進(jìn)一步求得DAB 經(jīng)過標(biāo)幺化后的輸出功率為：

式中：d為電壓傳輸比,d=nV2/V1。

從式（2）可以得到，當(dāng)工作條件一定時(shí)，DAB 輸出功率的方向和大小由移相角φ確定。

3.2 軟開關(guān)特性

當(dāng)開關(guān)管開通的時(shí)刻，如果此時(shí)實(shí)際導(dǎo)通的是與其反并聯(lián)的二極管，就能實(shí)現(xiàn)此開關(guān)管的零電壓開通（ZVS）。高頻功率電路中，軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)能減小器件的開關(guān)損耗和電磁干擾的產(chǎn)生，提高變換器的效率。根據(jù)開關(guān)管開通時(shí)刻的電流值，可以得到實(shí)現(xiàn)DAB 所有開關(guān)管ZVS 的條件，如表1所示。

表1 實(shí)現(xiàn)開關(guān)管ZVS 的條件 Tab.1 ZVS constraints for power devices

將式（1）代入表1所列的ZVS 條件中，得到移相控制下，實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管ZVS 的條件為

為了簡(jiǎn)化問題的分析過程，只考慮功率從1V側(cè)向2V側(cè)傳輸，并且電壓傳輸比 1＜d的情況。將式（3）代入式（2）得到實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管ZVS 的功率范圍為

由式（4）可以看到，當(dāng)DAB 工作在輕載時(shí)，有部分開關(guān)管不能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，此時(shí)變換器的效率將降低。

4 單邊全橋脈沖寬度調(diào)制控制

單邊全橋脈沖寬度調(diào)制控制（Single H-Bridge PWM Control）可以將實(shí)現(xiàn)DAB 所有開關(guān)管ZVS 的功率范圍擴(kuò)展到整個(gè)功率范圍[6-7]。

4.1 工作原理

單邊全橋PWM 控制時(shí)，一側(cè)全橋輸出交流電壓為180°電角度的方波，而一側(cè)全橋輸出交流電壓為具有一定占空比的方波。同樣地，只考慮功率從V1側(cè)向V2側(cè)傳輸，并且電壓傳輸比 1＜d的情況，其它情況具有相同的分析過程。當(dāng) 1＜d時(shí)，vab是占空比為D1的方波，vcd為180°電角度的方波，此時(shí)具有兩種開關(guān)模式，工作波形如圖4所示。

從開關(guān)模式1 的工作波形得到變壓器一次側(cè)的電流Li為

進(jìn)一步求得經(jīng)過標(biāo)幺化后的輸出功率為

其中δ為vab和vcd的基波分量之間的移相角，與φ的關(guān)系可以由圖4a 中得到。

圖4 單邊全橋PWM 控制時(shí)的工作波形 Fig.4 Waveforms for single H-bridge PWM control

從開關(guān)模式2 的工作波形得到Li為

同樣地，根據(jù)電流表達(dá)式可以求得輸出功率為

式中：δ為abv和cdv的基波分量之間的移相角，與φ的關(guān)系可以由圖4b 中得到。

4.2 軟開關(guān)特性

根據(jù)（5）得到開關(guān)模式1 中開關(guān)管T1，T2，T6和T7開通時(shí)刻的電流值（以Ⅰb=V1/(2πfsLs)為基準(zhǔn)，經(jīng)過標(biāo)幺化后）：

在DAB 中，各波形都是關(guān)于半周期點(diǎn)負(fù)對(duì)稱，所以只需要分析半周期，另外一個(gè)半周期可以得到相同的結(jié)論。

將以上各式代入表1中的ZVS 條件，得到開關(guān)模式1 時(shí)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管ZVS 的條件為

根據(jù)（6）得到開關(guān)模式2 中T1，T5，T8和T2開通時(shí)刻的電流值：

同樣地，將以上各式代入表1中的ZVS 條件，得到開關(guān)模式2 時(shí)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管ZVS 的條件為

4.3 全功率范圍內(nèi)的單邊全橋PWM 控制

由式（9）～式（11）得，取D1=d時(shí)，能同時(shí)滿足兩個(gè)開關(guān)模式下實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的ZVS。

將D1=d代入（9）得到ZVS 的條件為

再將式（12）代入式（6）得到開關(guān)模式1在滿足ZVS 條件下輸出功率的范圍為

將D1=d代入式（10）和式（11）得到開關(guān)模式2 的ZVS 條件為：

再將式（14）代入式（8）中，得到開關(guān)模式2 在滿足ZVS 條件下輸出功率的范圍為

結(jié)合式（13）和式（15）可以看出，開關(guān)模式1 和開關(guān)模式2 之間的功率范圍是無縫銜接的，兩種開關(guān)模式下實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管ZVS 的功率范圍為

根據(jù)式（4），移相控制下實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管ZVS 的功率范圍由式（4）確定，所以要實(shí)現(xiàn)全功率范圍內(nèi)所有開關(guān)管的ZVS，需要滿足：

進(jìn)一步求得：

所以在設(shè)計(jì)主電路時(shí)，根據(jù)V1和V2的值，調(diào)整高頻變壓器的變比n，使d滿足要求。結(jié)合式（4）和式（16），DAB 中實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管ZVS的功率范圍就延展到整個(gè)功率范圍。

5 仿真結(jié)果

在Saber 仿真軟件里，搭建了DAB 的電路模型，主要的電路參數(shù)為：高壓側(cè)電壓120 V；低壓側(cè)電壓48 V；高頻變壓器變比2∶1，高頻變壓器折算到一次側(cè)漏感12μH，開關(guān)頻率100 kHz，高壓側(cè)開關(guān)管 SPW20N60S5，低壓側(cè)開關(guān)管IRFP4468PbF。

仿真時(shí)，功率從1V側(cè)流向2V側(cè)，電壓傳輸比d小于1。當(dāng)輸出功率為300 W 時(shí)，仿真波形見圖5所示，圖5a 為移相控制下的波形，圖5b 為單邊全橋PWM 控制的波形，每組波形中包括1V側(cè)全橋輸出交流電壓abv，2V側(cè)全橋輸出交流電壓折算到一次側(cè)電壓 'cdv，變壓器一次側(cè)電流Li，1V側(cè)輸入直流電流和2V側(cè)輸出直流電流。在這個(gè)功率等級(jí)下，單邊全橋PWM控制時(shí)，DAB 工作在開關(guān)模式1。測(cè)得移相控制時(shí)的效率為87%，單邊全橋PWM 控制時(shí)的效率為93.48%。

圖5 輸出功率為300 W 時(shí)的工作波形 Fig.5 Waveforms under 300 W-load

當(dāng)輸出功率為700 W 時(shí)，仿真波形如圖6所示，圖6a 為移相控制，圖6b 為單邊全橋PWM控制。

圖6 輸出功率為700 W 時(shí)的工作波形 Fig.6 Waveforms under 700 W-load

這個(gè)功率等級(jí)下，單邊全橋PWM 控制時(shí)，DAB 工作在開關(guān)模式2。測(cè)得移相控制時(shí)的效率為 92.04%，單邊全橋 PWM 控制時(shí)的效率為94.16%。

從仿真結(jié)果可以得出，在單邊全橋PWM 控制下，變換器的效率顯著提高，尤其是在輕載時(shí)。

6 結(jié)論

本文首先分析了DAB 在移相控制下的工作原理和軟開關(guān)特性。在移相控制下，功率的傳輸方向和大小由移相角控制，操作起來非常簡(jiǎn)單。但是在輕載的情況下，DAB 會(huì)失去零電壓開通，此時(shí)開關(guān)損耗增加，變換器的效率降低。為了將實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管ZVS 的負(fù)載范圍延展到整個(gè)功率范圍，單邊全橋PWM 控制被提出。通過在一側(cè)全橋引入PWM 控制，實(shí)際上是增加了一個(gè)控制維度，以達(dá)到全功率范圍實(shí)現(xiàn)ZVS 的目標(biāo)。本文分析了單邊全橋PWM 控制的工作原理和軟開關(guān)特性，并且確定了占空比的選取原則。最后，在Saber 里搭建了仿真電路，通過仿真驗(yàn)證了，應(yīng)用單邊全橋 PWM控制，變換器的效率明顯提高。

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