張光宗，王春芳，李厚基，尹遜祥

(1.青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071; 2.中車青島四方車輛研究所，山東 青島266071)

隨著新能源的不斷發(fā)展，雙向DC-DC變換器因能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙向傳輸[1]，得到了廣泛應(yīng)用。其中，雙有源橋式[2](dual active bridge，DAB)DC-DC變換器具有電氣隔離、功率密度高和傳輸功率范圍大等優(yōu)點(diǎn)，常被用于固態(tài)變壓器中間級(jí)、新能源電動(dòng)汽車和不間斷電源等大功率場(chǎng)合[3-4]。

DAB的控制方式主要有變頻和移相控制2種。其中，通過變頻方法控制DAB的應(yīng)用較少，文獻(xiàn)[5]分析了變頻控制的雙有源橋，但只是針對(duì)輕載情況下進(jìn)行的頻率調(diào)節(jié)。移相控制DAB的方法應(yīng)用較為廣泛，最為常見的是單移相控制[6](single phase shift，SPS)，這種控制方法比較簡(jiǎn)單；但其功率回流問題會(huì)使電路的電流應(yīng)力和器件損耗大大增加，降低變換器的效率，而且當(dāng)輸入、輸出電壓不匹配時(shí)，軟開關(guān)區(qū)域范圍會(huì)變窄，有可能發(fā)生軟開關(guān)丟失的情況[7-9]。為了克服SPS功率損耗大的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[10]提出了雙重移相控制雙有源橋的方法，該控制方法增大了變換器的功率容量，適當(dāng)減少回流功率[11-12]，也能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通[13]；但不能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電流或小電流關(guān)斷。為了有效減小功率回流，有研究提出三重移相控制的方法，相比SPS多了2個(gè)自由度，可以達(dá)到減小功率回流的目的[14-15]，且控制靈活；但多數(shù)開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，限制了工作頻率和功率密度的提升。文獻(xiàn)[16-17]提出了對(duì)三重移相控制的優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)；但控制比較復(fù)雜，且只注重實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，而忽略了功率回流問題，并沒有整體提升傳輸效率。文獻(xiàn)[18]提出將移相控制與變頻控制結(jié)合，文獻(xiàn)[19]提出將傳統(tǒng)移相控制與雙重移相控制結(jié)合，這2種控制方法對(duì)減小功率回流和實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)有一定效果；但實(shí)現(xiàn)過程過于繁瑣，不穩(wěn)定因素較多。在10 kW及以上等級(jí)的大功率場(chǎng)合下，絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的主要損耗為關(guān)斷損耗，并且對(duì)穩(wěn)定性的要求較高，所以以上控制方法均不適用。

文獻(xiàn)[20-21]提出三角電流模式(triangular current mode，TCM)雙有源橋的控制方法，該方法可以在功率正向傳輸時(shí)沒有功率回流，在功率反向傳輸時(shí)幾乎沒有功率回流，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通和高壓側(cè)零電流關(guān)斷；但是文獻(xiàn)[20]只是提出了TCM-DAB的概念，并未做出任何分析。文獻(xiàn)[21]采用3個(gè)獨(dú)立占空比來實(shí)現(xiàn)TCM-DAB，控制復(fù)雜，工程實(shí)用性不高。本文進(jìn)一步研究了TCM-DAB，采用2個(gè)占空比相互配合，以此實(shí)現(xiàn)TCM-DAB，并對(duì)TCM-DAB進(jìn)行工作模態(tài)分析，給出TCM的開關(guān)時(shí)序和參數(shù)優(yōu)化公式，并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 傳統(tǒng)移相控制雙有源橋

1.1 DAB變換器

隔離型雙向DC-DC變換器與非隔離型雙向DC-DC變換器的演變過程相似，都是由單向變換器發(fā)展而來。DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包括2個(gè)H橋、2個(gè)與電源并聯(lián)的濾波電容、1個(gè)高頻隔離變壓器。本文將功率從高壓側(cè)傳向低壓側(cè)叫做功率的正向傳輸，工作在Buck模式；從低壓側(cè)傳向高壓側(cè)叫做功率的反向傳輸，工作在Boost模式。圖1中：電感L為高頻變壓器的漏感；UHV為高壓側(cè)電壓；C1為原邊輸入電容器；S1—S4為高壓側(cè)H橋的開關(guān)管；D1—D4為高壓側(cè)H橋開關(guān)管的反并聯(lián)二極管；T為雙有源橋變壓器；Q1—Q4為低壓側(cè)H橋的開關(guān)管；M1—M4為低壓側(cè)H橋開關(guān)管的反并聯(lián)二極管；C2為輸出濾波電容器；ULV為低壓側(cè)電壓；變壓器變比為n。

圖1 DAB電路圖

1.2 SPS-DAB工作原理

本文通過對(duì)DAB的SPS做簡(jiǎn)要分析來說明DAB的基本工作原理。圖2所示為SPS-DAB功率正向傳輸和反向傳輸?shù)拈_關(guān)時(shí)序，高壓側(cè)H橋的開關(guān)管S1和S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，S2和S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，2個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為50%占空比互補(bǔ)的方波；因此，變壓器T上的電壓為正負(fù)對(duì)稱的方波uH1和uH2。圖2中：U1為變壓器高壓側(cè)的電壓，nU2為低壓側(cè)電壓折算到高壓側(cè)的值，它們均隨時(shí)間t的變化而變化；S1—S4、Q1—Q4為各開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)；iL為電感電流；低壓側(cè)H橋開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與高壓側(cè)H橋開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在一定的相位差，這段占空比叫做移相占空比，用Dps表示；移相時(shí)間用DpsThs來表示；Ths為開關(guān)周期的1/2；1個(gè)工作周期用時(shí)間t0—t4表示。下文對(duì)工作周期t0—t4的各個(gè)工作模態(tài)進(jìn)行分析。

以功率正向傳輸為例進(jìn)行分析。首先，畫出DAB的等效電路，將變壓器低壓側(cè)的電路折合到高壓側(cè)，如圖3所示，對(duì)于電感電流iL，有

(1)

結(jié)合圖2(a)和圖3，可以將1個(gè)周期分為以下幾個(gè)時(shí)段，并寫出相應(yīng)時(shí)段電感上的電流iL

(2)

(3)

(4)

(5)

圖2 SPS-DAB的開關(guān)時(shí)序

圖3 單移相DAB的等效電路

在穩(wěn)定狀態(tài)下，iL在1個(gè)周期內(nèi)的平均值為0，即

iL(t0)=-iL(t2).

(6)

由圖2可知，DAB的傳輸功率P為t0—t2時(shí)段平均電流和電壓的乘積，設(shè)t0=0，t1=DpsThs，t2=Ths，結(jié)合式(2)、(3)可得

(7)

式中fs為DAB的工作頻率。由式(7)可知，DAB傳輸功率的大小和方向由Dps的大小所決定，Dps同時(shí)控制著輸出電壓的大小。

根據(jù)式(7)畫出SPS-DAB在1個(gè)周期內(nèi)功率正向傳輸時(shí)各個(gè)時(shí)段的傳輸功率，如圖4所示。其中：在t0—t′0和t2—t′2時(shí)間段內(nèi)，iL與高壓側(cè)的電壓方向相反，出現(xiàn)了功率回流現(xiàn)象；P1為傳輸功率；P2為回流功率。同時(shí)可以看出所有開關(guān)管均為大電流關(guān)斷，產(chǎn)生了大量的關(guān)斷損耗，因此SPS-DAB不適合應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。

圖4 SPS-DAB的功率傳輸

為更直觀地了解移相占空比Dps與傳輸功率P的關(guān)系，對(duì)式(7)進(jìn)行標(biāo)幺化處理。取基準(zhǔn)值為nU1U2/(8fsL)，標(biāo)幺化后Dps與P的關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出SPS下DAB的規(guī)律：傳輸功率P與移相占空比Dps的關(guān)系曲線類似正弦波；當(dāng)Dps=0.5時(shí)，P最大；當(dāng)Dps等于0或1時(shí)，P=0；當(dāng)Dps>0.5時(shí)，P隨Dps的增大而增大；當(dāng)Dps<小0.5時(shí)，P隨Dps的減小而減?。回?fù)向功率流和正向功率流的規(guī)律類似。這些規(guī)律對(duì)SPS-DAB的功率預(yù)測(cè)和參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

圖5 SPS-DAB傳輸功率與占空比的關(guān)系

2 TCM-DAB原理與設(shè)計(jì)

2.1 TCM-DAB功率正向傳輸

2.1.1 TCM-DAB功率正向傳輸時(shí)的工作原理

為TCM-DAB功率從高壓側(cè)傳向低壓側(cè)設(shè)定開關(guān)時(shí)序，如圖6所示。圖中iL的波形和三角形相似，所以該控制方法為TCM；Ts為TCM-DAB的工作周期，U1和nU2分別為變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)折算到高壓側(cè)的電壓；占空比D1和D2分別為半個(gè)周期內(nèi)U1和nU2所持續(xù)的時(shí)間，移相占空比

D′2=D1-D2.

(8)

圖6 功率正向傳輸開關(guān)時(shí)序

參考對(duì)SPS-DAB的分析方法，首先畫出TCM-DAB的等效模型，結(jié)合圖6的開關(guān)時(shí)序，將1個(gè)周期分為以下幾個(gè)時(shí)段，其中死區(qū)時(shí)間電感上的電流為I0，并寫出相應(yīng)時(shí)段電感上的電流如下：

(9)

D′2Ts≤t

(10)

iL(t)=iL(D1Ts)=I0,D1Ts≤t

(11)

全橋上下開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間

(12)

結(jié)合式(9)—(12)可得

(13)

如圖7所示，1個(gè)周期內(nèi)TCM-DAB功率正向傳輸時(shí)各個(gè)時(shí)段的傳輸功率，在TCM-DAB功率正向傳輸功率時(shí)沒有出現(xiàn)任何功率回流，其傳輸功率表達(dá)式為

(14)

將式(13)代入式(14)可得

(15)

其中

(16)

占空比D2與傳輸功率P的關(guān)系為

(17)

同樣，TCM-DAB也是通過調(diào)整占空比D2來改變傳輸功率的大小和方向。其中，占空比D1能夠與占空比D2配合實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，以及小電流或零電流關(guān)斷。

圖7 TCM-DAB傳輸功率

2.1.2 TCM-DAB功率正向傳輸時(shí)工作模態(tài)分析

通過圖6對(duì)開關(guān)時(shí)序的分析，可將TCM-DAB功率正向傳輸?shù)墓ぷ髂B(tài)分為8個(gè)，如圖8所示。

圖8 功率正向傳輸工作模態(tài)

a)狀態(tài)1(0≤t

b)狀態(tài)2(tr≤t

c)狀態(tài)3(D′2Ts≤t

d)狀態(tài)4(D1Ts≤t

e)狀態(tài)5(Ts/2≤t

f)狀態(tài)6(Ts/2+tr≤t

g)狀態(tài)7(Ts/2+D′2Ts≤t

h)狀態(tài)8(Ts/2+D1Ts≤t

2.2 TCM-DAB功率反向流動(dòng)

2.2.1 TCM-DAB功率反向傳輸時(shí)的工作原理

為TCM-DAB功率反向傳輸設(shè)定開關(guān)時(shí)序，如圖9所示，iL為電感L上的電流，U1/n為變壓器低壓側(cè)及高壓側(cè)折算到低壓側(cè)的電壓，占空比D1和D2分別為半個(gè)周期內(nèi)U1/n和U2所持續(xù)的時(shí)間，τ為iL下降到0的時(shí)間。

圖9 功率反向傳輸開關(guān)時(shí)序

利用TCM-DAB的等效模型，結(jié)合圖9所示的開關(guān)時(shí)序，將1個(gè)周期分為以下幾個(gè)時(shí)段并寫出相應(yīng)時(shí)段電感上的電流iL：

(18)

D2Ts≤t

(19)

iL(t)=iL(D1Ts),D1Ts≤t

(20)

(21)

iL(t)=0,Ts/2-tr+τ≤t

(22)

τ小于死區(qū)時(shí)間tr，

(23)

結(jié)合式(19)和式(20)可得

(24)

1個(gè)周期內(nèi)TCM-DAB功率反向傳輸時(shí)各個(gè)時(shí)段的傳輸功率如圖10所示，可以看出在tr時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了很小一部分的功率回流。其中正向傳輸功率為P1，回流功率為P2，其表達(dá)式分別為：

(25)

(26)

結(jié)合式(25)和式(26)得整體的傳輸功率

P=P1-P2=

(27)

由式(27)可知

(28)

其中占空比D1、D2和在功率正向傳輸中的作用相同。

圖10 TCM-DAB反向傳輸功率

以(nU2-U1)TsU2/4L為基準(zhǔn)值，對(duì)式(27)進(jìn)行標(biāo)幺化處理，能夠更加直觀地看出D2與P的關(guān)系，如圖11所示：P與D2的平方成正比關(guān)系；當(dāng)D2=0.5時(shí)，P最大；當(dāng)占空比D2=0時(shí)，P最小，也為0。這些規(guī)律對(duì)TCM-DAB的功率預(yù)測(cè)和參數(shù)設(shè)計(jì)具有參考意義。

2.2.2 TCM-DAB功率反向傳輸時(shí)工作模態(tài)分析

通過圖9中對(duì)開關(guān)時(shí)序的分析，可將TCM-DAB功率反向傳輸?shù)墓ぷ髂B(tài)分為8個(gè)，如圖12所示。

a)狀態(tài)1(0≤t

圖11 TCM-DAB功率P與占空比D2的關(guān)系

圖12 功率反向傳輸?shù)墓ぷ髂B(tài)

b)狀態(tài)2(D2Ts≤t

c)狀態(tài)3(D1Ts≤t

d)狀態(tài)4(Ts/2-tr≤t

e)狀態(tài)5(Ts/2≤t

f)狀態(tài)6(Ts/2+D2Ts≤t

g)狀態(tài)7(Ts/2+D1Ts≤t

h)狀態(tài)8(Ts-tr≤t

2.3 參數(shù)優(yōu)化

TCM-DAB設(shè)計(jì)要重點(diǎn)考慮電感的電流應(yīng)力，結(jié)合TCM-DAB的等效模型和圖6可知，變壓器變比等于其原副邊電壓比時(shí)，無法滿足額定功率傳輸，即

(29)

TCM-DAB的電流峰值

(30)

結(jié)合式(14)可得

(31)

(32)

(33)

由以上分析構(gòu)建基于軟開關(guān)的TCM-DAB雙環(huán)控制框圖，如圖13所示，其中Uin和Uout分別為輸入電壓和輸出電壓，Uref為與DAB輸出電壓比較的基準(zhǔn)電壓，通過輸出電壓和電感電流閉環(huán)控制占空比D2，并根據(jù)式(13)求得D1的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)DAB的軟開關(guān)，從而降低電路損耗。

圖13 TCM-DAB控制框圖

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

基于理論分析，進(jìn)行小功率TCM-DAB功率正向傳輸?shù)尿?yàn)證仿真和實(shí)驗(yàn)。

3.1 電路仿真分析

在搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之前用saber進(jìn)行電路拓?fù)浞抡?，低壓?cè)負(fù)載用1個(gè)功率相等的純阻性負(fù)載代替，具體參數(shù)如下：UHV=30 V，L=32 μH，ULV=20 V，fs=20 kHz，R=20 Ω，P=20 W。仿真結(jié)果如圖14所示：圖14(a)中實(shí)線和虛線分別為功率正向流動(dòng)和反向流動(dòng)的電感電流iL，電流峰值為1.2 A，電流變化與理論分析相同；圖14(b)為功率正向傳輸高壓側(cè)開關(guān)管S1的零電壓開通波形，實(shí)線是漏極和源極之間的電壓(30 V)，虛線為其柵極驅(qū)動(dòng)電壓(15 V)；圖14(c)為功率反向傳輸高壓側(cè)開關(guān)管Q2的零電流關(guān)斷波形圖，實(shí)線為其柵極驅(qū)動(dòng)電壓(15 V)，虛線為電感電流波形。

圖14 TCM-DAB功率傳輸仿真結(jié)果

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖15所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4 結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)TCM-DAB工作原理的分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出TCM-DAB功率傳輸時(shí)只有低壓側(cè)1個(gè)橋臂上的2個(gè)開關(guān)管在大電流關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的損耗較大，其他開關(guān)管均以小電流關(guān)斷和零電壓開通，并且小電流關(guān)斷時(shí)，可以控制關(guān)斷電流的大小。所以TCM-DAB相對(duì)于移相式DAB來說可以獲得更高的效率。

圖16 實(shí)驗(yàn)結(jié)果