袁雪

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)

全橋隔離DC/DC變換器相移控制方法研究

袁雪

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)

隔離DC-DC變換器作為電力電子變壓器機(jī)車牽引變流器的重要部分。重點(diǎn)對(duì)全橋拓?fù)涞南嘁瓶刂扑惴ㄩ_展了研究。首先，分析了變換器的拓?fù)浼捌涔ぷ髟?，并建立了基于開關(guān)函數(shù)的變流器數(shù)學(xué)模型。然后，分別對(duì)傳統(tǒng)相移控制、擴(kuò)展相移控制以及雙重相移控制三種典型相移控制方法進(jìn)行了理論對(duì)比研究，分析了變換器中存在回流功率的現(xiàn)象，并給出了滿足最大輸出功率時(shí)相應(yīng)相移量的最佳取值范圍。最后，研制了1.5 kW小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)相移控制相比，擴(kuò)展相移控制和雙重相移控制均可以提高系統(tǒng)效率，且雙重相移控制系統(tǒng)效率最高，在額定工作狀態(tài)下，系統(tǒng)效率可達(dá)到93%。

擴(kuò)展相移控制;雙重相移控制;全橋隔離DC-DC變換器;回流功率; 1.5 kW小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

0 引 言

中國(guó)具有人口眾多、內(nèi)陸深廣等特征，大規(guī)模人口流動(dòng)是我國(guó)多年來(lái)面臨的難題，高速鐵路是解決該問題的一種既安全快捷、又環(huán)?？煽康慕煌ǚ桨竅1]。我國(guó)高速列車技術(shù)正處于再創(chuàng)新階段，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化以及占領(lǐng)世界高速列車技術(shù)的制高點(diǎn)與引領(lǐng)其發(fā)展方向顯得尤為重要[2-3]，智能化與高效節(jié)能環(huán)?；歉咚倭熊嚺c重載機(jī)車的發(fā)展方向。

輕量化是列車發(fā)展高效節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)之一，車載電氣化設(shè)備的輕量化也顯得十分重要。車載電氣設(shè)備中，工頻牽引變壓器的重量幾乎可達(dá)總重的三分之一，目前，眾多研究關(guān)注于牽引變壓器的小型輕量化和去工頻化[4]。隨著新型電力電子器件的研制和發(fā)展，多電平變流技術(shù)為電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)提供了發(fā)展方向[5]，其中采用中頻中壓變流器結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)笨重的工頻變壓器的電力電子變壓器機(jī)車成為了研究的熱點(diǎn)。例如，2011年瑞士ABB公司研制了1.2 MW電力電子變壓器試驗(yàn)機(jī)車，這對(duì)電力電子變壓器機(jī)車的應(yīng)用起到了引導(dǎo)的作用。

文獻(xiàn)[6]給出了一種電力電子機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)洌潆娐吠負(fù)淙鐖D1所示。該拓?fù)溆汕凹?jí)級(jí)聯(lián)H橋整流器、全橋隔離DC-DC變換器、三相逆變器和三相交流電機(jī)等組成。

圖1 電力電子變壓器機(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)

本文基于圖1中的電力電子變壓器機(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)其中全橋隔離DC-DC變換器開展研究。在大功率環(huán)境應(yīng)用中，考慮到開關(guān)器件頻率的限制，相移控制成為全橋隔離DC-DC變換器的典型控制方法。傳統(tǒng)相移控制能完成功率雙向傳輸，且控制方便[7]。但由于未采用軟開關(guān)技術(shù)減小開關(guān)切換過程中的電壓沖擊和開關(guān)損耗，變換器效率較低，并且傳統(tǒng)相移控制算法存在回流功率大、峰值電流過大、開關(guān)應(yīng)力過大、輸出端濾波電路體積大等缺點(diǎn)[8]。

為優(yōu)化傳統(tǒng)相移控制全橋隔離DC-DC變換器的控制效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種新型的相移控制方法[9]，其主要分為擴(kuò)展相移控制和雙重相移控制[10-11]。

本文主要對(duì)全橋隔離DC-DC變換器的三種典型相移控制算法進(jìn)行對(duì)比分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。分析了相移控制中變換器存在的功率回流現(xiàn)象，并建立了三種相移控制的輸出功率和回流功率模型，然后，為易于控制和設(shè)計(jì)，給出了滿足最大輸出功率時(shí)相移量的最小取值范圍。為減少變換器的電壓沖擊和開關(guān)噪聲，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的零電壓開關(guān)(zero-voltage switching ,ZVS)實(shí)現(xiàn)方法，并給出了三種相移控制方法實(shí)現(xiàn)ZVS的約束條件。最后，搭建1.5 kW小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)三種控制方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 相移控制方法分析

在無(wú)工頻牽引變壓器電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中，全橋隔離DC/DC變換器前級(jí)采用級(jí)聯(lián)四象限脈沖整流器供電，輸入電壓VDCin較為穩(wěn)定，故本節(jié)將在VDCin=VDCo/n的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，以便于簡(jiǎn)化分析和控制。

1.1 傳統(tǒng)相移控制

傳統(tǒng)相移控制的波形示意圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)相移控制波形圖

其中TS為開關(guān)周期，D為H橋之間開關(guān)控制信號(hào)的相移。傳統(tǒng)相移控制通過控制D來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率P。

圖3 傳統(tǒng)相移控制P和Q隨D變化規(guī)律

可得到P和Q隨D的變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，僅當(dāng)D=0時(shí)，Q=0，故工作狀態(tài)下Q不為零，并且隨著D的增加而回流功率Q逐漸增大。

1.2 擴(kuò)展相移控制

圖4 擴(kuò)展相移控制波形圖

擴(kuò)展相移控制波形示意圖如圖4所示。

對(duì)比圖4和圖2可知，D2與D一樣，都是H橋開關(guān)控制信號(hào)之間的相移，而擴(kuò)展相移控制在原邊H橋斜對(duì)管控制信號(hào)之間增加相移D1。擴(kuò)展相移控制通過控制D1和D2來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率P。

結(jié)合傳統(tǒng)相移公式和圖4，可得t0到t3對(duì)應(yīng)的電流:

(1)

輸出功率P可表示:

(2)

對(duì)式中功率P求變量D1的偏導(dǎo)，并令其偏導(dǎo)值為0，可得:

(3)

則有:

(4)

同理，對(duì)式中功率P求變量D2的偏導(dǎo)，并令其偏導(dǎo)值為0，可得:

(5)

則有:

(6)

在滿足輸出功率范圍最大的情況下，可得:

(7)

在VDcin=VDCo/n時(shí)，可得回流功率為:

(8)

圖5 擴(kuò)展相移控制P和Q隨D1、D2變化規(guī)律

設(shè)n=1，VDCin=VDCo/n=150 V，L=0.2 mH，Ts=1.25 e-4 s，可得到P和Q隨D1、D2的變化規(guī)律如圖5所示。

對(duì)比圖5與圖3可知，在D2=D時(shí)，擴(kuò)展相移控制可通過控制D1限制回流功率，并具有更大的功率傳輸范圍。在輸出功率一定時(shí)，合理配置D1與D2，可有效減小Q，其中當(dāng)D1>2D2時(shí)，Q=0，如圖8(a)中的三角形陰影區(qū)域所示。

1.3 雙重相移控制

雙重相移控制波形示意圖如圖6所示。

圖6 雙重相移控制波形圖

對(duì)比圖6和圖2可知，D2與D一樣，都是H橋開關(guān)控制信號(hào)之間的相移，而雙重相移控制在原副邊H橋斜對(duì)管控制信號(hào)之間都增加相移D1。雙重相移控制通過控制D1和D2來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率P。

同理，結(jié)合傳統(tǒng)相移公式和圖6，可得t0到t4各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流分別為:

(9)

輸出功率P可表示:

(10)

對(duì)式中功率P求變量D1的偏導(dǎo)，并令其偏導(dǎo)值為0，可得:

(11)

則有:

(12)

同理，對(duì)式中功率P求變量D2的偏導(dǎo)，并令其偏導(dǎo)值為0，可得:

(13)

則有:

(14)

在滿足輸出功率范圍最大的情況下，可得:

(15)

在VDcin=VDCo/n時(shí)，可得回流功率為:

(16)

圖7 雙重相移控制P和Q隨D1、D2變化規(guī)律

設(shè)n=1，VDCin=VDCo/n=150 V，L=0.2 mH，Ts=1.25e-4 s，根據(jù)式和可得到P和Q隨D1、D2變化的規(guī)律如圖7所示。

對(duì)比圖7與圖3可知，雖然Q隨D2的變化一致，但在D2=D時(shí)，雙重相移控制可通過控制D1增加功率傳輸范圍，在P一定時(shí)，選擇合適的D1與D2可有效減小回流功率Q。

2 實(shí)驗(yàn)研究

本文以TMS320F28335為控制器研制了全橋隔離DC-DC變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，表1給出了全橋隔離DC-DC變換器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要電路參數(shù)。

在額定功率下，開關(guān)切換點(diǎn)的電流大約為15 A(以傳統(tǒng)相移控制為計(jì)算目標(biāo)，即為峰值電流)，電壓變化ΔUc為150 V，設(shè)定死區(qū)時(shí)間tdl為1 μs，經(jīng)過計(jì)算，選取緩沖電容值為0.1 μF。

2.1 移相控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖8可知，擴(kuò)展相移控制和雙重相移控制相對(duì)于傳統(tǒng)相移控制有效的增加了系統(tǒng)效率，且雙重相移控制效果更加，其在額定工作狀態(tài)下，系統(tǒng)效率可達(dá)到93.14%。

圖8 三種控制方法的效率對(duì)比

圖9 三種額定功率時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

圖9給出了在額定功率時(shí)三種控制方法實(shí)驗(yàn)波形。

對(duì)比圖9中三種控制方法的電壓波形，引入零狀態(tài)(Sa=0或者Sb=0)減小對(duì)開關(guān)切換時(shí)的電壓沖擊。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以無(wú)工頻牽引變壓器電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)為應(yīng)用背景，對(duì)其中全橋隔離DC/DC變換器開展研究，首先建立了基于開關(guān)函數(shù)的全橋隔離DC/DC變換器數(shù)學(xué)模型。分析了相移控制中存在的回流功率現(xiàn)象，推導(dǎo)了傳統(tǒng)相移控制、擴(kuò)展相移控制和雙重相移控制三種控制方法的回流功率和輸出功率的數(shù)學(xué)描述；為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)相移控制、擴(kuò)展相移控制和雙重相移控制三種控制方法輸出最大功率，分別給出了這三種算法的相移量最小取值范圍。研制了1.5 kW小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并開展三種控制算法的實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

表1 全橋隔離DC-DC變換器系統(tǒng)參數(shù)

(1)在文中給出的控制相移量范圍內(nèi)，除擴(kuò)展相移控制，均能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件，其中擴(kuò)展相移控制要滿足D1<2D2；

(2)與傳統(tǒng)相移控制相比，擴(kuò)展相移控制和雙重相移控制可以有效提高系統(tǒng)效率，且雙重相移控制系統(tǒng)效果最明顯；

(3)在相移控制中加入零開關(guān)狀態(tài)能有效減小開關(guān)切換時(shí)電壓沖擊，減小功率損耗。

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A Research on Phase-shift-control of the Full-bridge-isolated DC/DC Converter

Yuan Xue

(College of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

This paper focuses on the phase-shift control algorithm of the full-bridge topology of the isolated DC-DC converter, an important part of the locomotive traction converter of the power electronic transformer. Firstly, the topology of the converter and its working principle is analyzed, and a mathematical model of the converter is established based on the switch function. Then, we make a theoretical comparison among three typical phase shit methods, namely traditional phase shift, extended phase shift control and dual phase shift control, analyze the phenomenon of return power in the converter, and give the optimal range of the phase shift magnitudes which satisfies the maximum output power. Finally, a 1.5kW small power experiment platform is developed and experimental verification is made. Experimental results show that, compared with traditional phase shift control, the extended phase shift control and dual phase shift control can both improve system efficiency, and the dual phase shift control can reach a system efficiency of 93% in its rated operation status, the highest among them all.

extended phase shift control; dual phase shift control; full-bridge-isolated DC-DC converter; return power; 1.5 kW small power experiment platform

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.003

TM41/47

A

1000-3886(2017)04-0007-04

定稿日期: 2016-11-07

《中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題》(項(xiàng)目編號(hào)：2015J008—E)

袁雪(1992-)，女，河南信陽(yáng)人，研究生，碩士學(xué)位，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化，電子應(yīng)用技術(shù)。